Acelerador de partículas

16/10/2013 18:30

Em novembro de 2009, a exemplo do que ocorreu com outros meios de comunicação, foi veiculado pelo site http://hypescience.com/lhc-fim-do-mundo/ uma matéria que afirmava que Apesar de ameaças de morte, temores e raiva de algumas pessoas pelo mundo, os cientistas do Grande Colisor de Hadrons, de US$ 8 bilhões, não recuam.”. Para compreender a matéria na sua essência, é necessário entender o que é um acelerador de partículas.

Henri Becquerel

 

 

 

Antes de tudo, é preciso mencionar um dos descobrimentos científicos mais importantes da humanidade. Tal descoberta ocorreu no ano de 1896 quando o físico francês Henri Becquerel (Paris, 15 de Dezembro de 1852 — Le Croisic, 25 de Agosto de 1908).  Sua descoberta foi um  fenômeno que hoje conhecemos sob o nome de Radioatividade, que é a propriedade que alguns átomos possuem (Urânio, Polônio, etc.) de emitir energia espontaneamente. Os experimentos que foram determinantes para esta descoberta consistiam em submeter à ação dos raios solares uma amostra de algumas substâncias. Na fase seguinte, as substâncias eram colocadas em contato com uma chapa fotográfica, encerrada numa espécie de embrulho de papel impermeável à luz. Becquerel interpôs uma cruz de ferro entre a amostra e a chapa fotográfica.

 

 

As suas pesquisas, juntamente com as pesquisas de Wilhelm Konrad Roentgen (1845 – 1923) levam à criação da Ampola de Crookes, que é a peça chave no funcionamento dos televisores (é o velho tubo de imagem!). Resumidamente, o aparelho de TV que muitas pessoas ainda tem em casa são, na realidade, um acelerador de partículas. Isso mesmo: algumas pessoas têm um acelerador de partículas dentro de casa! Os aparelhos com LED e LCD são uma outra tecnologia.

A grande diferença entre o acelerador que temos em casa e o acelerador a que a matéria se refere, é a quantidade de energia e a finalidade do experimento. O Grande Colisor de Hadrons (LHC, na sigla em inglês), acelerador a que se refere a matéria citada no início deste texto é o maior acelerador de particular (e a maior máquina) já construída pelo homem.

Seus números são grandiosos. A máquina fica em um túnel de 27 km circular de circunferência e é enterrado cerca de 50 a 175 m. Atravessa as fronteiras suíça e francesa nos arredores de Genebra. O LHC foi projetado para colidir dois feixes de balcão rotativo de prótons ou íons pesados. colisões próton-próton estão previstas em uma energia de 7 TeV por feixe. As primeiras colisões ocorrem a uma energia de 3,5 TeV (Tera elétrons volt) por feixe e ocorreram em 30 de março de 2010.

Os feixes de mover ao redor do anel do LHC dentro de um contínuo de vácuo guiada por ímãs. Os ímãs são supercondutores são resfriados e por um enorme sistema criogênico.

 

 

 

Os aceleradores de partículas são equipamentos que fornecem energia a feixes de partículas subatômicas eletricamente carregadas. Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de grande energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partículas existem nas televisões e geradores de raios-X, na produção de isótopos radioativos, na radioterapia do câncer, na radiografia de alta potência para uso industrial e na polimerização de plásticos.

 

Além das partículas mais básicas, elétrons, prótons e nêutrons, outras também podem ser aceleradas. Por exemplo: existe a possibilidade de se acelerar partículas compostas; ou seja, partículas alfa, que são constituídas por dois prótons e dois nêutrons.

 

Tipos de aceleradores

 

O acelerador de partículas é um instrumento essencialmente construído utilizando uma fonte de partículas carregadas expostas a campos elétricos que as aceleram. Após a aceleração passam em seguida por um campo magnético que as desvia de suas trajetórias focalizando-as e controlando as direções(defletindo-as).  Todos os tipos de aceleradores independentemente de seu grau de avanço tecnológico obedecem aos mesmos princípios básicos. Devido à disposição geométrica dos campos eletromagnéticos responsáveis pela aceleração das partículas, basicamente são classificados em dois tipos: cíclicos e lineares.  Para que possam ocorrer às condições mais próximas do ideal, existe a necessidade de geração de vácuo de excelente qualidade na região de trânsito, evitando assim a dispersão destas pelas moléculas de gases que porventura estejam em sua trajetória. Tubos de raios catódicos  Um exemplo simples de acelerador de partículas, com todas as características citadas acima, são os tubos de raios catódicos de aparelhos de televisão. Estes dispositivos dispõem, numa de suas extremidades, um cátodo onde os elétrons ganham energia pelo aquecimento, escapando de seus átomos e ficando “livres”.  Cada elétron possui uma negativação individual. Ao se destacar do cátodo aquecido pelo filamento (Efeito Édison) estas partículas ficam expostas a um campo elétrico estabelecido pela aplicação de diferença de potencial entre aquele cátodo e o outro extremo, ou ânodo nas proximidades do ecrã (tela, no português brasileiro).  Uma vez emitidos, os elétrons são acelerados em direção a um foco entre um elétrodo chamado grade de controle e a um ânodo chamado de primeiro ânodo. A diferença de potencial aplicada à grade de controle determina a corrente eletrônica ou fluxo eletrônico, mais fluxo, mais brilho, menos fluxo, menos brilho, ou seja, controla o bombardeio de elétrons no ecrã.  A diferença de potencial do primeiro ânodo num tubo hipotético gira em torno de 250 V proporcionando assim uma primeira aceleração em sua direção, porém, não há a captura das partículas, pois estão sendo atraídas em direção a um potencial maior. A alta tensão está presente no segundo ânodo, esta gira em torno de + 12.000 V, que atrai os elétrons ainda mais, porém, estes passam em alta velocidade e ainda não são capturados devido a geometria tubular do elétrodo.  Acelerados, os elétrons que passaram pelo primeiro e segundo ânodos são agora manipulados eletronicamente num terceiro ânodo, o de ajuste de foco, isto é, aquele que “afina” ou "alarga" o diâmetro do feixe tal qual uma lente eletrônica cuja tensão gira em torno de + 300 V.  Observe-se que os ânodos são positivos, portanto, em cada atração os elétrons ganham mais energia e são mais acelerados. Para facilitar a passagem da corrente eletrônica e dificultar a captura dos elétrons, os ânodos são cilíndricos.  Após passar pelos três primeiros ânodos, os elétrons ainda são acelerados em direção a um quarto ânodo cuja diferença de potencial é em torno de + 12.000 V também acelerando-os ainda mais.  Após passarem pelos ânodos, os elétrons são então desviados de suas trajetórias por bobinas de deflexão horizontal e vertical(bobinas que geram campo magnético) cuja função é executar a “varredura” para atingir ao ecrã, e ao fazê-lo, ocorre a luminescência(o brilho ou luminescência, que tem cor pré definida conforme o ponto da tela, ocorre devido a mudança de estado energético dos átomos de fósforo depositados sob o ecrã).

 

 

 

Aceleradores lineares

 

Os aceleradores lineares fazem a partícula seguir uma trajetória reta onde a energia final obtida é proporcional à soma das diferenças de potencial geradas a partir dos mecanismos de aceleração dispostos ao longo da trajetória.

 

Estes aceleradores são desenvolvidos de duas formas ou sistemas.      O primeiro sistema é o que utiliza a montagem de componentes que geram um campo magnético longitudinal móvel fornecendo assim energia cinética para os elétrons.  Este equipamento é provido de uma câmara de aceleração composta de um tubo de vácuo cilíndrico, tipo cavidade ressonante, ou guia de ondas que dirige o campo acelerador. Existe também um amplificador de potência de vários megawatts que excita as câmaras aceleradoras sucessivas e seqüenciais que forçam o deslocamento de uma frente de onda progressiva no guia de ondas, esta uma vez sincronizada pelos dispositivos aceleradores se desloca cada vez com maior velocidade até chegar ao fim do tubo. O que assegura a sincronização é a velocidade de fase da onda progressiva que acaba por se igualar à velocidade dos elétrons.  De todos os sistemas de aceleração de partículas, este é o mais antigo, porém só foi possível seu desenvolvimento integral a partir de meados da Segunda Guerra Mundial, esta espera ocorreu porque a teoria avançou mais rápido que a prática, e a tecnologia necessitou se desenvolver para a produção do equipamento. Não existia naquela época a técnica de conformação de ondas pelo uso da radiofreqüência em guias de onda. Tão logo ocorreu o desenvolvimento de dispositivos para tal durante a guerra foi possível a produção de reações nucleares.      O segundo sistema de aceleração linear utiliza o método de ondas eletromagnéticas estacionárias, estas acabam por acelerar prótons.  Os prótons possuem massa em torno de duas mil vezes a dos elétrons, gerando uma barreira para sua excitação através de uma guia por ondas progressivas que tenham velocidade de fase igual à sua velocidade de avanço. Os prótons cuja energia é de quatro megavolts têm cerca de dez por cento da velocidade da luz, esta velocidade causa efeitos relativísticos. Estes impossibilitam o uso da técnica de guia de ondas da mesma forma que se usa para elétrons. Logo os aceleradores de ondas estacionárias são usados somente como injetores de prótons para aceleradores cíclicos de grande energia que possuem dispositivos para detectar e corrigir as distorções ocasionadas pelos efeitos relativísticos.  No Brasil, o desenvolvimento de aceleradores lineares se deve ao conhecimento e capacidade do Prof. Argus Moreira e sua equipe que projetou e construiu quatro máquinas no Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, no Rio de Janeiro. Ainda em funcionamento, alguns desses aceleradores ajudam na formação de fisicos, engenheiros e técnicos e o desenvolvimento de novas técnicas cientificas.

 

 

 

 Os maiores e mais poderosos aceleradores, como o LHC, lançado no dia 10 de setembro de 2008 e o Tevatron, são usados para física experimental na pesquisa básica das interações fundamentais.