No início do século XX, descobrimos a estrutura do átomo. Descobrimos que o átomo era feito de fragmentos bem pequenos chamados partículas subatômicas: mais notadamente o próton, o nêutron e o elétron.
Entretanto, os experimentos conduzidos na segunda metade do século XX com os “quebradores de átomos”, ou os aceleradores de partícula, revelaram que a estrutura subatômica do átomo era muito mais complexa. Os aceleradores de partículas podem pegar uma partícula, tal como um elétron, acelerá-lo até quase a velocidade da luz, colidi-lo com um átomo e dessa forma descobrir suas partes internas.
Quebrando os átomos
Na década de 30, os cientistas investigaram os raios cósmicos. Quando estas partículas altamente energéticas (prótons) do espaço exterior atingiam átomos de chumbo, (por exemplo: os núcleos dos átomos) muitas partículas minúsculas eram pulverizadas.
Estas partículas não eram prótons ou nêutrons, mas muito menores. Por isso, os cientistas concluíram que o núcleo devia ser feito de partículas bem menores e mais elementares. Assim a pesquisa começou para estas partículas.
Naquela época, a única maneira de se colidir partículas altamente energéticas com átomos, era no topo de uma montanha onde os raios cósmicos eram mais comuns e onde os experimentos eram conduzidos. Entretanto, os físicos logo construíram aparelhos chamados de aceleradores de partículas ou quebradores de átomos. Nestes aparelhos, você acelera as partículas até altas velocidades (altas energias cinéticas) e as colide com os átomos-alvo.
Os fragmentos resultantes da colisão, bem como a radiação emitida, são detectados e analisados. A informação nos diz sobre as partículas que fazem o átomo e as forças que mantêm o átomo unido. Um experimento em um acelerador de partículas foi descrito como a determinação da estrutura de uma televisão quando se olha para os pedaços dela após ser largada do Empire State Building, em Nova York.
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.
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 tinha apenas 10 cm de diâmetro.
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.
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 km?.
Dentro de um acelerador de partículas
Todos os aceleradores de partículas, tanto lineares ou circulares, têm as seguintes partes básicas.
– fonte de partículas – fornece as partículas que serão aceleradas;
– tubo de cobre – o feixe de partículas viaja pelo vácuo dentro deste tubo;
– clístrons – geradores de microondas que fazem as ondas nas quais as partículas “andam”;
– eletroímãs (convencionais, supercondutores) – mantêm as partículas confinadas em um feixe estreito enquanto viajam pelo vácuo e também se misturam ao raio quando necessário;
– alvos – com o que as partículas aceleradas colidem;
– detectores – aparelhos que olham para os fragmentos e para a radiação que foi lançada da colisão;
– sistemas de vácuo – removem o ar e a poeira do tubo do acelerador;
– sistemas de resfriamento – removem o calor gerado pelos ímãs;
– computador/sistemas eletrônicos – controlam a operação do acelerador e analisam os dados das experiências;
– blindagem – protege os operadores, técnicos e o público da radiação gerada pelas experiências;
– sistemas de monitoração – circuito fechado de televisão e detectores de radiação para ver o que acontece dentro do acelerador (com o propósito de segurança);
– sistemas de energia elétrica – fornece eletricidade para o aparelho inteiro;
– anéis de armazenagem – armazenam os feixes de partículas, temporariamente, quando não estão em uso.
Fonte de partículas, tubo de cobre e clístrons
Fonte de partículas
A fonte de partícula fornece as partículas que serão aceleradas. As partículas podem ser elétrons, prótons, pósitrons (a primeira partícula antimatéria – como um elétron, mas carregado positivamente), íons e núcleos dos átomos pesados como o ouro. No SLAC, uma arma de elétron usa um laser para derrubar os elétrons da superfície de um semicondutor. Os elétrons, então, entram na parte do acelerador do linac.
No SLAC, os pósitrons podem ser feitos quando atiramos um raio de elétron no tungstênio. Na colisão, são formados pares de elétrons e pósitrons. Os pósitrons podem ser acelerados revertendo as direções dos campos elétricos e magnéticos dentro do acelerador.
Tubo de cobre
A maior estrutura do acelerador de partícula é o tubo de cobre. O tubo de cobre tem um forte vácuo por dentro pelo qual as partículas viajam. Os tubos são feitos de cobre porque ele conduz muito bem tanto a eletricidade como o magnetismo. No linac do SLAC, o tubo de cobre é feito de mais de 80 mil cilindros revestidos de cobre e presos por mais de 3,2 km.
O tubo de cobre é organizado para formar uma série de células chamadas de cavidades. O espaço das cavidades é combinado com o comprimento de onda das microondas. Os espaços permitem aos campos elétrico e magnético repetirem seu padrão a cada três cavidades. Os elétrons ou pósitrons no raio passam pelas cavidades em pequenos grupos. A chegada de cada grupo tem um tempo determinado para que se consiga um impulso do campo elétrico até as cavidades.
Clístrons
Clístrons produzem as microondas, como um forno de microondas exceto que as microondas dos clístrons são cerca de 1 milhão de vezes mais poderosas. Os clístrons produzem microondas pelo caminho de uma arma de elétron. Os elétrons viajam através do clístron em cavidades, onde a velocidades deles é regulada. Como os elétrons mudam de velocidade no clístron, eles liberam radiação na forma de microondas. As microondas são conduzidas por meio de guias de ondas de cobre para o tubo de cobre do acelerador. Os guias de ondas transportam as ondas com eficácia sem perder a intensidade. O clístron e os guias de ondas são mantidos sob alto vácuo para facilitar o fluxo das ondas.
Ímãs
Os ímãs, tanto os eletroímãs convencionais ou os ímãs supercondutores, são colocados ao longo do tubo do acelerador em intervalos regulares. Estes ímãs mantêm o feixe de partículas confinado e focalizado.
Imagine que o feixe de partículas é como bolinhas de chumbo atiradas de uma espingarda de chumbinho. Normalmente, as bolinhas (elétrons) tendem a se espalhar. Se as bolinhas são dispersadas, então elas não provocam muitas colisões em uma pequena área do alvo. Entretanto, se as bolinhas são confinadas por uma força externa (magnetismo) para um caminho estreito, então elas provocarão muitas colisões em uma área estreita do alvo. Quanto mais colisões, mais acontecimentos são observados em qualquer experiência.
Os ímãs geram um campo dentro de seu núcleo. Não há força magnética no centro em que os elétrons viajam. Se os elétrons se extraviam do centro, eles sentirão uma repulsão magnética para o meio. Organizando os ímãs em uma série de pólos alternados, os elétrons podem continuar confinados pela extensão do tubo.
Alvos
Os alvos variam com o tipo de experiência. Alguns alvos podem ser finas folhas de metal. Em algumas experiências, os feixes de diferentes partículas (elétrons, pósitrons) colidem um com o outro dentro dos detectores.
Detectores
Os detectores são uma das mais importantes partes do equipamento no acelerador. Eles vêem as partículas e a radiação depois da colisão. Existem vários tipos de detectores, desde câmaras de bolhas e névoa até detectores eletrônicos em estado sólido. Um laboratório de colisor pode ter vários tipos de detectores localizados em várias partes do acelerador. Por exemplo, uma câmara de bolhas contém um gás líquido, como o hidrogênio líquido. Como as partículas liberadas da colisão passam através da câmara, eles vaporizam um pouco do líquido, deixando uma trilha de bolhas.
Um detector de câmara de névoa tem um vapor saturado no interior. À medida que uma partícula energética passa pelo vapor, este é ionizado, produzindo uma trilha como a de um jato que atravessa uma nuvem.
Um detector no SLAC é o Grande Detector do SLAC (SLD – SLAC Large Detector). O SLD é um grande detector de estado sólido em forma de barril, equivalente a seis andares, e pesa mais de 4 mil toneladas!
O SLD é um detector multicamadas e cada camada vê um evento diferente:
– detector vertex – detecta a posição das trilhas das partículas;
– câmara de deslocamento – detecta as posições das partículas carregadas em vários pontos ao longo de suas trilhas. As trilhas curvadas revelam o momento da partícula (relacionado à sua massa e velocidade);
– detector Cerenkov – vê a radiação liberada por partículas se movendo (rapidamente) e determina a velocidade das partículas;
– calorímetro de argônio líquido – pára a maioria das partículas e mede suas energias;
– calorímetro de ferro quente – detecta múons (uma das partículas subatômicas);
– bobina do ímã – separa os dois calorímetros.
Sistema de vácuo e resfriamento
Sistemas de vácuo
O vácuo deve ser mantido nos aceleradores por duas razões:
– para evitar descarga de faíscas causadas pelas microondas no ar, que danificariam as estruturas do acelerador e dos guias de ondas;
– para evitar a perda de energia que ocorreria se o feixe colidisse com as moléculas de ar.
Uma combinação de bombas rotatórias e de armadilhas frias é usada para manter o vácuo baixo (um milionésimo de uma atmosfera). Bombas rotatórias funcionam como ventoinhas para retirar o ar. As armadilhas frias usam gases líquidos (geralmente nitrogênio) para resfriar a superfície da armadilha. Qualquer molécula de ar ou poeira será atraída para a superfície fria e removida do tubo. As armadilhas frias devem permanecer frias, caso contrário, liberarão as moléculas de ar e poeira coletadas.
Sistemas de resfriamento
As correntes elétricas passando através da tubulação de cobre, no acelerador, produzem uma grande quantidade de calor. Este calor deve ser removido por duas razões:
– para evitar que a tubulação de cobre derreta – isto destruiria a estrutura
– para evitar que a tubulação de cobre se expanda – isto quebraria os lacres do vácuo
O linac do SLAC possui tubos de água para resfriar a tubulação de cobre da estrutura do acelerador e os ímãs. As águas de resfriamento circulam para as torres de resfriamento acima do solo, removendo o calor. Qualquer ímã supercondutor fica frio com o nitrogênio líquido ou o hélio líquido. Pelo fato de o linac estar no subsolo, há menos chance de aquecimento e resfriamento sazonais.
Computadores e eletrônicos
Os computadores e os sistemas eletrônicos têm várias tarefas na operação de um acelerador de partículas:
– controlam a fonte de partículas, clístrons e ímãs usados na aceleração das partículas;
– monitoram o feixe;
– coletam e registram os dados das experiências;
– analisam os dados;
– monitoram os sistemas de segurança;
– desligam o sistema em caso de emergência;
Os aceleradores de partículas têm muitos computadores que controlam o sistema. Estes computadores geralmente têm microprocessadores de alta velocidade, com muita memória e armazenagem de dados. Eles geralmente estão em rede. Em alguns casos, as análises dos dados do computador podem ser feita por supercomputadores (no local ou não).
Blindagem, monitoração, energia e armazenagem
Blindagem
Como as partículas aceleradas são forçadas a mudar de velocidade, mudar de direção ou atingir alvos, elas acabam perdendo energia. Esta energia geralmente está na forma de radiação ionizante, como raios X ou raios gama. Além da radiação, as próprias partículas energizadas apresentam perigo para a saúde humana. Para evitar vazamento de radiação enquanto os aceleradores estão operando, eles são blindados.
As estruturas do acelerador geralmente são localizadas em túneis de concreto, no subsolo. O concreto e a terra protegem o meio ambiente.
Os técnicos não ficam nos túneis enquanto os aceleradores operam, e as salas de controle são blindadas com concreto. Além disso, os funcionários usam dosímetros de radiação e são monitorados constantemente. Os aceleradores de partículas nos Estados Unidos estão sob a jurisdição da Comissão Regulamentar Nuclear, que permite seu uso e os inspeciona regularmente como medida de segurança.
Se o acelerador é afiliado a uma universidade, a agência de segurança contra radiação da universidade também participa do processo.
Monitoramento
Os túneis geralmente são equipados com circuitos fechados de televisão para monitorar o equipamento e os calibradores no interior do acelerador. Os detectores de radiação estão localizados por toda a estrutura do acelerador para monitorar vazamentos na blindagem e proteger os trabalhadores.
Sistema de energia elétrica
Como você pode adivinhar, pela descrição do equipamento, os aceleradores de partículas usam muita eletricidade. Em alguns lugares, ela é fornecida por meio da empresa de energia local. Alguns aceleradores têm seus próprios geradores elétricos no local.
Anéis de armazenagem
Pelo fato de precisarem de muita força para acelerar as partículas em uma experiência, muitos aceleradores têm anéis de armazenagem. Os anéis de armazenagem mantêm um feixe que já foi acelerado. Por exemplo, se estiver colidindo um feixe de elétrons com um feixe de pósitrons, você pode ter de manter um feixe armazenado enquanto acelera o outro.
Um anel de armazenagem tem os mesmos componentes que o acelerador principal, mas com menos clístrons. As partículas viajam ao redor do anel na velocidade acelerada, precisando de apenas um ou dois clístrons para compensar qualquer perda de energia enquanto os feixes mudam de direção.
Partículas subatômicas
Com toda esta tecnologia, o que aprendemos sobre a estrutura da matéria? Quando os físicos começaram a usar os aceleradores nos anos 50 e 60, descobriram centenas de partículas menores do que as três bem conhecidas partículas subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons.
À medida que aceleradores maiores eram construídos (aqueles que podiam fornecer feixes com energias mais altas), mais partículas iam sendo descobertas. A maioria destas partículas existe por apenas frações (menos de um bilionésimo) de segundo, e algumas delas combinam-se para formar partículas compostas mais estáveis. Algumas partículas estão envolvidas nas forças que mantêm o núcleo do átomo unido e outras não.
De acordo com este modelo, a matéria pode ser dividida nos seguintes blocos:
– férmions – partículas subatômicas que torna conhecida a matéria e a antimatéria
* matéria:
– léptons – partículas elementares que não ajudam a manter o núcleo unido (exemplos: elétron, neutrino)
– quarks – partículas elementares que ajudam a manter o núcleo unido
– antimatéria – antipartículas dos quarks e léptons (antiquarks, antiléptons)
– bósons – partículas que carregam forças (quatro tipos conhecidos).
Observações sobre Interações
Há quatro forças ou interações fundamentais:
– forte – mantém o núcleo do átomo unido
– fraca – envolvida no decaimento radioativo
– eletromagnetismo – interações entre as partículas carregadas (eletricidade e magnetismo)
– gravidade – força atrativa baseada na massa e distância.
Férmions: matéria e antimatéria
Férmions se distinguem entre matéria (léptons e quarks) e antimatéria.
Léptons
Os léptons são partículas extremamente pequenas (menos de 10-15 m de raio) que não têm tamanho conhecido ou estrutura interna. Eles têm massas minúsculas, viajam muito rápido e são descritos de uma forma melhor pelas funções de onda. Os exemplos mais conhecidos de léptons são o elétron e o neutrino. Os léptons foram classificados como:
– elétron-elétron neutrino
– múon-múon neutrino
– tau-tau neutrino
Quarks
Os quarks são partículas extremamente pequenas (menos de 10-15 m de raio) que participam da interação nuclear forte. Os quarks (únicos) isolados nunca foram encontrados, provavelmente porque eles se combinam muito rapidamente. Os quarks também têm cargas elétricas fracionadas, eles são classificados assim:
– down (d) – carga = -1/3
– up (u) – carga = +2/3
– strange (estranho) (s) – carga = -1/3
– charm (charmoso) (c) – carga = +2/3
– bottom (b) – carga = -1/3
– top (t) – carga = +2/3 (mais massivo, descoberto em 1995)
A partir de agora, os quarks são considerados como sendo as partículas mais fundamentais.
Antimatéria
Não se sabe muito sobre a antimatéria. A primeira partícula de antimatéria descoberta foi o pósitron, que tem uma massa similar a de um elétron, mas com uma carga positiva. Esta área da física de partículas está sendo investigada atualmente.
Hádrons, bósons e o Big Bang
Hádrons
Estas partículas são combinações de quarks, eles têm massa e residem no núcleo. Os dois exemplos mais comuns de hádrons são prótons e nêutrons, e cada um é uma combinação de três quarks:
– próton = 2 quarks up + 1 quark down [+1 carga de próton = (+2/3) + (+2/3) + (-1/3)]
– nêutron = 2 quarks down + 1 quark up [0 carga de nêutron = (-1/3) + (-1/3) + (+2/3)]
Bósons
Considera-se que estas partículas mudem quando as interações acontecem. Uma interação é definida como um impulso ou puxão. Mas isso não nos diz o que é realmente ou como é mediada. Richard Feynman sugeriu que as interações ocorrem quando duas partículas trocam um bóson, ou partícula de calibre.
Pense em duas pessoas de patins: se uma pessoa joga uma bola e a outra pega, elas estão sendo empurradas em sentidos opostos. Nesta analogia, os patinadores são as partículas fundamentais, a bola transportadora da força e a repulsão é a força. No caso das partículas, vemos a força que é o efeito, mas não a troca.
Há quatro bósons conhecidos:
– glúon – mediador da interação forte, mas apenas opera sobre distâncias de 10-13 cm;
– W e Z – mediador da interação fraca (1/10.000 da interação forte), mas apenas opera sobre distâncias de 10-15 cm;
– fóton – mediador de interação eletromagnética (1/137 da interação forte) e opera sobre uma distância infinita;
Uma quinta partícula de calibre (gráviton) tem sido proposta, mas ainda não foi encontrada. O gráviton é considerado como mediador da gravidade, que é 10-39 da interação forte e opera sobre uma distância infinita.
Historicamente, James Clerk Maxwell unificou a eletricidade e o magnetismo no século XIX. Como os físicos haviam construído aceleradores mais poderosos com temperaturas e energias mais altas, eles perceberam que certas interações vinham juntas, ou unificadas.
As experiências com aceleradores de partículas mostraram que a interação eletromagnética e a interação fraca podem ser agrupadas na interação eletrofraca. Muitos físicos acreditam que todas as forças eram provenientes de uma única força existente há muito tempo.
As teorias que tentam unificar as forçassão chamadas de teorias unificadas ou grandes teorias unificadas (GTU). Espera-se que as GTUs nos digam que o universo possa ter sido assim em seus primórdios. Pelo fato das experiências com os aceleradores simularem (o que é considerado como sendo) as condições que existiam frações de segundo depois do Big Bang, elas podem providenciar evidências para apoiar ou contradizer várias GTUs.
De acordo com a teoria do Big Bang:
– antes do Big Bang, o universo era extremamente quente e pequeno e a matéria existia apenas como quarks livres;
– uma vez que a explosão aconteceu:
– uma rápida inchação ocorreu e o universo esfriou;
– os quarks se combinaram em hádrons;
– as interações se separaram;
– a matéria (átomos) se formou;
– matéria condensada em galáxias, estrelas, etc.
Aumentando mais e mais os aceleradores de partículas, os físicos podem simular as condições que existiam dentro de 10-43 segundos do Big Bang!
Futuras direções na física de partículas
Várias questões ainda permanecem sem resposta a respeito do modelo padrão.
– Por que há três pares de quarks quando parece que é necessário apenas um para criar a matéria?
– O que dá massa às partículas (também aos átomos e matéria)?
– Por que o quark top (que é 35 vezes maior do que o quark bottom) é tão massivo se comparado aos outros?
Estas são apenas algumas das questões que permanecem no mundo da física de partículas.
