O que é um acelerador de partículas?
Um acelerador de partículas é um equipamento que utiliza campos elétricos e / ou magnéticos para projetar partículas subatômicas em altas velocidades. Freqüentemente, essas partículas colidem umas com as outras como parte de experimentos de física, permitindo-nos aprender mais sobre como o universo funciona. Eles também são usados às vezes para terapia de partículas para tratar câncer, ou como fontes de luz no estudo da física da matéria condensada.
História dos aceleradores de partículas
Em 1930, Cockcroft e Walton construíram um transformador de 200.000 volts e aceleraram prótons ao longo de uma linha reta para testar um fenômeno conhecido como tunelamento de Gamow . Este foi o primeiro acelerador de partículas. A tentativa de observar o fenômeno falhou e eles concluíram que seria necessário um acelerador de energia mais alta. Assim começou a busca por energias cada vez mais elevadas que continua até hoje.
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Aceleradores eletrostáticos
Os primeiros aceleradores de partículas eram todos aceleradores eletrostáticos . São aceleradores que simplesmente usam um campo elétrico para aumentar a velocidade de uma partícula carregada. Os opostos se atraem, então uma partícula negativa será atraída por uma placa carregada positivamente e uma partícula positiva será atraída por uma placa carregada negativamente.
Embora esse tipo de acelerador de partículas seja barato e simples, eles tendem a não ser usados em experimentos modernos de física de partículas. Isso ocorre porque eles são limitados na quantidade de energia que podem fornecer a uma partícula. Uma vez que uma determinada energia é alcançada, a voltagem aplicada é tão alta que os isoladores experimentam um fenômeno conhecido como pane elétrica . A quebra elétrica ocorre quando os materiais que normalmente são isolantes se tornam condutores, e isso impede que um acelerador de partículas opere corretamente.
Campo Oscilante
Um tipo mais moderno de acelerador de partículas é chamado de acelerador de campo oscilante . Estes incluem aceleradores lineares, ciclotrons e síncrotrons que serão discutidos posteriormente. Os aceleradores de campo oscilantes funcionam aplicando tensões menores que oscilam na direção (potência CA). Conforme uma partícula é atraída e se aproxima de uma placa, a voltagem é invertida. Quando a partícula atinge a placa, ela passa por um orifício nela e sai pelo outro lado. À medida que passa pelo orifício, a carga na placa é trocada de modo que a partícula é então repelida para longe da placa no lado oposto. Isso continua com um grande número de placas, com oscilações cada vez mais rápidas, até que a partícula atinja a velocidade pretendida.
Ciclotrons, Sincrotrons e Aceleradores Lineares
Os aceleradores de campo oscilantes podem ser configurados de várias maneiras. Eles podem ser configurados em uma linha reta, caso em que são chamados de aceleradores lineares . Ou podem ser configurados em um formato circular, como é o caso dos cíclotrons e síncrotrons.
O benefício dos aceleradores de partículas circulares é que eles ocupam menos espaço para uma determinada quantidade de aceleração. As desvantagens incluem o fato de que você precisa de um imã enorme para manter as partículas se movendo em um círculo e que as partículas carregadas se movendo em um círculo produzem radiação síncrotron, que luta contra suas tentativas de dar à partícula mais energia.
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Os ciclotrons foram os primeiros aceleradores circulares e usaram um design simples feito de duas placas em forma de D e um grande ímã. Em um ciclotron, a partícula ganha velocidade e espirais para fora, até atingir uma abertura e sair do acelerador para chegar ao alvo. Os ciclotrons são limitados pela relatividade – conforme você aumenta a energia da partícula para velocidades próximas da velocidade da luz, a massa da partícula começa a aumentar, tornando cada vez mais difícil acelerá-la ainda mais. Como os cíclotrons têm um campo magnético constante e imutável, não há como ajustar isso.
Os sincrotrons não têm as limitações dos ciclotrons e funcionarão com energias muito mais altas. Eles movem as partículas em um enorme ciclo e tentam mantê-las em um raio constante, em vez de permitir que ela espiralize para fora. Isso é conseguido alterando a força do campo magnético para manter o raio constante – eles usam eletroímãs ajustáveis em vez de ímãs fixos. Os síncrotrons podem ser enormes, com até 10 quilômetros de diâmetro, como o Large Hadron Collider operado pelo CERN ou o síncrotron do Fermilab em Batavia, Illinois, mostrado abaixo.
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Descobertas
Muitas das partículas no «modelo padrão» da física foram descobertas como produtos de colisões em aceleradores de partículas. Mais recentemente, a descoberta do Bóson de Higgs aconteceu no já citado CERN – o maior e mais famoso sistema acelerador de partículas do mundo.
À medida que a física avança, a necessidade de aceleradores de partículas de energia cada vez maior só aumentará. Eles nos permitem investigar a composição e a história de nosso universo e entender como ele funciona em um nível fundamental.
Resumo da lição
Os aceleradores de partículas usam combinações de campos elétricos e magnéticos para projetar partículas em velocidades extremamente altas. Os três tipos mais comuns são aceleradores lineares, cíclotrons e síncrotrons. Os aceleradores lineares têm menos limitações, mas também ocupam mais espaço, os ciclotrons são compactos, mas têm limitações devido à radiação produzida e à energia que você pode alcançar devido à relatividade, e os síncrotrons são círculos gigantescos que evitam os problemas com os ciclotrons.
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Graças aos aceleradores de partículas, descobrimos muitas partículas subatômicas e temos um bom controle sobre os constituintes fundamentais do universo.