Um acelerador de partículas

Sabia que você tem um tipo de acelerador de partículas em casa? Na verdade, é provável que esteja lendo este artigo usando um! Os tubos de raios cátodos (CRT) de qualquer TV ou monitor de computador é, na verdade, um acelerador de partículas.

O CRT pega as partículas (elétrons) do cátodo, acelera-as, e muda sua direção usando eletroímãs no vácuo. Depois, as faz colidir em moléculas de fósforo na tela. O resultado da colisão é um ponto de luz, ou um pixel, na sua TV ou no monitor do computador.

Um acelerador de partículas funciona do mesmo modo, exceto que os aceleradores são muito maiores, as partículas se movem muito mais rápido (quase na velocidade da luz) e a colisão resulta em mais partículas subatômicas e em vários tipos de radiação nuclear. As partículas são aceleradas por ondas eletromagnéticas dentro do aparelho, quase do mesmo modo que um surfista é empurrado pela onda. Quanto mais energéticas as partículas, mais visível fica a estrutura da matéria. É como espalhar as bolas dispostas no triângulo de bolas do jogo de bilhar. Quando o taco (partícula energizada) aumenta a velocidade, ele recebe mais energia e então pode espalhar melhor as bolas (liberando mais partículas).

Existem dois tipos básicos de aceleradores de partículas:

• linear - as partículas viajam por um caminho longo e reto e colidem com o alvo
• circular - as partículas viajam ao redor de um círculo até colidirem com o alvo

Nos aceleradores lineares, as partículas viajam no vácuo ao longo de um tubo de cobre. Os elétrons acompanham as ondas criadas pelos geradores de ondas chamados de clístrons. Os eletroímãs mantêm as partículas confinadas em um feixe estreito. Quando o feixe de partículas atinge um alvo no final do túnel, vários detectores registram os eventos: as partículas subatômicas e a radiação liberada. Estes aceleradores são enormes, e são mantidos no subsolo. Um exemplo de acelerador linear é o linac no Laboratório de Acelerador Linear de Stanford (SLAC) na Califórnia, que tem cerca de 3 km de comprimento.

Foto cedida SLAC Vista aérea do acelerador linear do SLAC: o linac está no subsolo e traçado de branco

Aceleradores circulares fazem basicamente a mesma coisa que os linacs. Entretanto, ao invés de usarem um caminho linear longo, impulsionam as partículas, muitas vezes, ao redor de um caminho circular. A cada passo, o campo magnético é intensificado para que o feixe de partículas acelere com cada passo consecutivo. Quando as partículas estão em sua energia mais alta ou desejada, um alvo é colocado no caminho do feixe, nos detectores ou próximo a eles. Os aceleradores circulares foram os primeiros tipos de aceleradores inventados em 1929. Na verdade, o primeiro cíclotron (mostrado abaixo) tinha apenas 10 cm de diâmetro.

Foto cedida pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley O primeiro acelerador de partículas (cícloton) desenvolvido por Ernest O. Lawrence, em 1929

O cícloton de Lawrence usava ímãs em forma de D (chamado de Dee) separados por um pequeno espaço vazio. Os ímãs produziam um campo magnético circular. Uma voltagem oscilante criava um campo elétrico através do espaço vazio para acelerar as partículas (íons) a cada volta. Como as partículas se moviam rapidamente, os raios de seus caminhos circulares se tornavam maiores até que atingissem o alvo no círculo mais externo. O cícloton de Lawrence era eficaz, mas não podia alcançar as energias dos aceleradores circulares modernos.

Foto cedida SLAC Diagrama do esquema de um cíclotron

Os aceleradores circulares modernos colocam clístrons e eletroímãs ao redor de um tubo circular de cobre para acelerar as partículas. Muitos aceleradores circulares também têm um acelerador linear curto para acelerar inicialmente as partículas antes de entrarem no anel. Um exemplo de um acelerador circular moderno é o Laboratório Nacional do Acelerador Fermi (em inglês - Fermilab) em Illinois, que ocupa quase 25,6 km².

Foto cedida pelo Fermilab Vista aérea do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi (Fermilab)

Vamos dar uma olhada no interior do acelerador de partículas.