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Aceleradores de Partículas
Referências
Para que seja possível interagir e observar objetos é necessário que as dimensões do objeto e da sonda sejam compatíveis. De acordo com as bases da mecânica quântica, quando menor o comprimento de onda associado a um objeto, maior deve ser sua frequência, assim, sua energia.
Como as partículas elementares possuem dimensões muito menores do que o comprimento de onda da luz, outras técnicas, além da microscopia, são necessárias para observar essas partículas.
Dessa forma, partículas são aceleradas a velocidades muito altas, comparáveis à velocidade da luz, atingindo uma grande escala de energia, com o objetivo de observar dimensões cada vez menores.
A primeira experiência que pode ser considerada como um acelerador de partículas foi o tubo de raios catódicos (figura 01) utilizado por J.J. Thomson em 1911 que indicou existência do elétron, que deu origem à sua teoria quanto à constituição atômica [01].
Após a aceleração das partículas ocorre a colisão, que pode ser contra alvos fixos ou entre feixes acelerados em direções opostas. Esta colisão deixa traços em detectores e a partir do estudo desses traços é possível determinar as características das partículas constituintes do feixe, do alvo e o tipo de interação que ocorreu entre elas.
[01] L. C. M. Silva, W. M. S. Santos, P. M. C. Dias, A carga específica do elétron. Um enfoque histórico e experimental. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 33, no. 01, pág.1601 2011.
[02] F. Balieiro, T. Fabrício, A supercondutividade e os aceleradores de partículas. Click Ciência, edição 26, Ufscar, 2016.
[03] Site do Laboratório Nacional Luz Síncroton.
[04] Site do Projeto Sirius.
[05] R. C. Shelard, Partículas, Aceleradores e Detectores. Revista USP, n. 66, 54-61, 2005.
[06] Site do CERN.
[07] F. K. Nóbrega, L. F. Mackedanz, O LHC (large Hadrons Colider) e a nossa física do dia-a-dia. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 35, no 01, pág. 1301, 2013.
Figura 01 - Tubo de Raios Catódicos, semelhante àquele utilizado por Thomson. A linha azul indica a trajetória dos elétrons por meio da sensibilização dos átomos de Gás Hélio rarefeito dentro do tubo.
Fonte: Imagem Original.
Funcionamento
Em geral, os aceleradores de partículas tem o mesmo princípio de funcionamento. Inicialmente, um campo elétrico acelera as partículas, de acordo com suas cargas elétricas, depois, campos magnéticos são responsáveis por curvar o feixe em uma trajetória circular e mantê-lo focalizado, já que normalmente o feixe é constituído por partículas de carga elétrica com mesmo sinal que se repelem eletrostaticamente [02].
Os aceleradores lineares (figura 02) são geralmente utilizados para acelerar partículas leves, já que estas partículas perdem facilmente sua energia por radiação síncroton. Neste tipo de aceleradores as partículas percorrem extensos tubos de cobre até a colisão com um alvo fixo ou outro feixe de partículas se movendo em sentido contrário, para criar os eventos que serão analisados posteriormente a partir dos dados obtidos nos de detectores.
[09] M. M. Pereira, LHC: o que é, para que serve e como funciona? Física na Escola, vol. 12, no. 01, pág. 37-41, 2011.
[08] Site do Large Hádrons Colider.
Figura 02 - Esquema ilustrativo do ILC (International Linear Collider) que ainda está em projeto.
Os aceleradores circulares (figura 03) são geralmente utilizados para acelerar partículas pesadas, um campo magnético é responsável por mudar a direção de propagação do feixe de partículas. Em alguns tipos de aceleradores câmaras de ressonância acrescentam energia cinética ao feixe a cada volta completada, dessa forma a intensidade do campo magnético responsável por curvar a direção do feixe deve ser aumentada progressivamente, para se manter o raio da trajetória constante.
[10] M. A. Moreira, O Modelo Padrão da Física de Partículas, Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 31, n.01, 1306, 2009.
[11] CMS Collaboration, Observation os a new bóson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC. Physics Letter B, 716, 30-61, 2012.
[12] The Nobel Prize in Physics 2013.
[13] J. A. Helayel-Neto, Supersimetria e Interações Fundamentais, Física na Escola, vol. 6(1), no. 45, pág. 45-47, 2005.
[14] R. Rosenfeld, A Cosmologia, Física na Escola, vol. 6(1), no. 31, pág. 31-37, 2005.
Figura 03 - Esquema do síncroton SOLEIL em Saclay, na França.
Fonte: wikipedia.org
[15] Site do CERN.
Curvatura do Feixe
Uma carga elétrica de módulo q se movendo com velocidade v, em uma região de campo magnético B experimenta uma força magnética F dada pela equação 01.
Que pode ser escrita da forma simplificada, equação 02. Dessa maneira é possível determinar apenas o módulo da força resultante. O ângulo indicado é aquele entre o vetor força e o vetor campo magnético.
A direção e o sentido da força magnética calculada pela equação 02 pode ser determinada por uma regra prática chamada de regra do tapa (figura 04).
Figura 04 - Regra prática para determinação da força magnética sobre uma carga elétrica em movimento em uma região de campo magnético.
Se a carga elétrica for submetida constantemente a uma força magnética com direção perpendicular ao campo passará a descrever um movimento circular uniforme, como indica a figura 05.
Figura 05 - Movimento circular de uma carga elétrica em um campo magnético.
OBS. O “X” representa um vetor com direção perpendicular ao plano da tela, com sentido entrando na tela.
Fonte: Imagem Original.
Um objeto em movimento circular uniforme tem velocidade de módulo constante, mas sua direção varia ao longo do tempo. Uma mudança de velocidade, mesmo que só sua direção pode ser descrita por uma aceleração. Assim, um objeto que descreve este tipo de movimento deve ficar sujeito a ação de uma força resultante, neste caso chamada de força centrípeta (Fc), responsável por alterar a direção da velocidade e manter o objeto em trajetória circular. A força centrípeta tem sempre direção e sentido indicando o centro da trajetória e seu módulo pode ser calculado pela equação 03, em que R é o raio da trajetória descrita.
Como o objeto está sujeito apenas á força magnética temos que a força centrípeta é a força magnética, então igualando as equações 02 e 03 para o caso em que o campo e a força magnética são perpendiculares, temos a equação 04.
Que pode ser reorganizada de forma a explicitar o raio da trajetória circular descrita pela carga elétrica (equação 05).
Uma carga elétrica, em movimento acelerado, emite radiação eletromagnética, neste caso é chamada de radiação cíclotron. Se as partículas forem aceleradas a velocidades próximas á velocidade da luz esta radiação é chamada de radiação síncroton.
O vídeo a seguir é uma aula sobre o movimento de uma carga elétrica em uma região de campo magnético uniforme.
LNLS
Na cidade de Campinas, no Estado de São Paulo o Laboratório Nacional Luz Síncroton (LNLS) [03] faz uso desta radiação na realização de experiências com o objetivo de estudar a estrutura da matéria. Este laboratório está passando por uma fase de upgrade com o projeto LNLS-Sirius [04] que aumentará a energia da radiação produzida, possibilitando a investigação de dimensões cada vez menores.
Histórico
Este tópico apresenta um breve histórico dos aceleradores de partículas utilizados para as mais importantes descobertas em física de partículas.
A física de partículas começou a atrair os holofotes ao final da Segunda Guerra Mundial com o sucesso da construção da bomba atômica, chamando a tenção principalmente do Governo do Estados Unidos. No período pós-guerra alguns aceleradores que precederam grandes laboratório nacionais, como o Brookhaven em Nova York e o SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) na California, foram criados. “Esses dois laboratórios foram muito bem-sucedidos, tendo gerado experimentos que resultaram em mais de dez prêmios Nobel” [05].
Na década de 1970 foi criado o Fermi National Laboratory (Fermilab), no estado de Illinois. Ainda segundo [05] os laboratórios Americanos foram os grandes responsáveis por manter um canal de comunicação com cientistas russos mesmo durante a Guerra Fria.
Na Europa no período após a guerra a ciência era vista como uma forma de unificar o continente, então o CERN (Centro Europeu de pesquisas Nucleares) foi criado em 1954. Em 1959 o CERN já operava o maior acelerador de partículas da época. Hoje o CERN possui 22 países membros, de vários continentes, incluindo o Brasil e cientistas de mais de 100 nacionalidades diferentes [06]. O LHC (Grande Colisor de Hádrons) foi inaugurado no CERN em 2007 utilizando um túnel circular de 27 km de comprimento a 100 m de profundidade que foi utilizado anteriormente pelo LEP (Grande colisor elétron-pósitron) entre 1989 e 2000.
LHC
O LHC (Large Hadrons Colider) é composto por um túnel aproximadamente circular de 27 km de extensão construído 100 m abaixo da superfície [07]. No túnel, dois feixes de partículas carregadas são acelerados, e movem-se através de um anel circular, guiados por campos magnéticos, que são mantidos por eletroímãs supercondutores. Além dos ímãs os cabos utilizados também são supercondutores, por esse motivo todo o anel fica refrigerado por um sistema de criogenia a 1,9 K [08].
Como praticamente não há dissipação de energia, as partículas circulam pelos anéis durante horas. Assim, dois feixes paralelos em sentidos contrários produzem uma taxa de um bilhão de colisões por segundo [09].
As colisões geradas no LHC geram uma quantidade de energia de aproximadamente 14 TeV [07]. As partículas provenientes destas colisões são analisadas em quatro diferentes experimentos (detectores) ATLAS, CMS, ALICE e LHC-b.
As experiências realizadas no acelerador tem o objetivo de procurar respostas para as grandes questões que assombram as principais teorias da física contemporânea.
O modelo padrão ainda não explica a origem da massa das partículas elementares [10], por isso a busca pelo Bóson de Higgs, confirmado experimentalmente em 2012 [11] que levou ao prêmio Nobel de Física para Peter Higgs em 2013 [12], ainda nesta área de pesquisa existe a busca por supersimetrias [13].
Em astrofísica busca-se explicar a expansão acelerada do Universo e a discrepância entre as medidas de massa de galáxias e aglomerados feitas com instrumentos e os valores determinados a partir da quantidade de matéria visível [14].
No LHC uma série de aceleradores preliminares aceleram o feixe de partículas antes de ele ser levado ao anel principal do colisor (figura 05 e vídeo a seguir), de modo que é possível aumentar o raio da trajetória à medida que a escala de energia é aumentada. Uma vez no anel principal não é possível mais aumentar o raio da trajetória e deve-se aumentar a intensidade do campo magnético aplicado.
Figura 05 - Complexo de aceleradores do LHC e os experimentos detectores.
Fonte: wikipedia.org
O LINAC 2 é um acelerador linear que fornece próton com 50 MeV gerados a partir de íons de Hidrogênio. O PSB (Próton Síncroton Booster) é um acelerador circular que recebe os prótons e aumenta a sua energia cinética antes de levá-los ao PS (Próton Síncroton), um acelerador circular que acelera os prótons até 28 GeV que depois passam para o SPS (Super Próton Síncroton) que aceleram os prótons a 450 GeV e finalmente passa as partículas ao anel principal do LHC, onde serão aceleradas até a energia máxima e participarão dos eventos de colisão [15].
Para entender um pouco sobre o que acontece nos aceleradores de partículas, o link a seguir oferece uma introdução à cinemática relativística.
Site do LHC para quem deseja conhecer um pouco mais sobre o Grande Colisor de Hádrons.
Site do LNLS que apresenta o laboratório de pesquisa.
Página “Luz Pra Que?” que apresenta as aplicações da luz síncroton.
Circuitos integrados e nanopartículas contra câncer são alguns exemplos. Nesta reportagem, veja quem faz parte do laboratório de Campinas.
Laboratório ficará num túnel em anel de 50 km a 100 km, prometem físicos. China tenta abertura uma década antes do próximo supercolisor europeu.
Notícia sobre o próximo grande colisor de partículas.
Texto que apresenta uma breve introdução sobre supercondutividade e os componentes supercondutores do LHC.