Entenda a importância dos aceleradores de partículas

Os aceleradores de partículas são necessários

para a observação de partículas extremamente pequenas (a nível

subatômico). Eles funcionam em uma câmara de vácuo cercada por diversos

elementos – como ímãs e cavidades de radiofrequência.

Por que os físicos precisam de aceleradores de partículas?

Os cientistas descobriram que tudo no universo é feito de um pequeno

número de blocos básicos chamados de partículas elementares, que são

“governadas” por algumas forças fundamentais.

Algumas dessas partículas, tais como o elétron, são matéria estável.

Outras têm uma existência breve antes de deteriorar-se. Ainda há outros

tipos de partículas, tais como o bóson de Higgs, que acredita-se terem

existido por alguns instantes após o Big Bang, mas que são ausentes no

universo atual.

A concentração enorme de energia que pode ser alcançada nas colisões

entre partículas tais como elétrons ou prótons em um acelerador pode

recriar as condições do universo primitivo, gerando partículas como o

bóson de Higgs por uma fração de segundo, antes de tais partículas

deteriorarem-se nas mais ordinárias. São os traços indicadores deixados

por estas partículas mais ordinárias que os físicos capturam em

detectores enormes, colocados em torno dos pontos de colisão no

acelerador. Por um processo de trabalho de detetive computacional,

podem então deduzir as propriedades das novas partículas criadas.

Conseqüentemente, estudar colisões de partículas é como o ” voltar

no tempo” , recriando a origem de nosso universo no ambiente atual.

Aceleradores: o microscópio definitivo

Os seres humanos usam a informação obtida por ondas para perceber o

mundo (alguns animais, como golfinhos e baleias, emitem e detectam

ondas).

De fato, qualquer tipo da onda refletida pode ser usada para obter

informações sobre o mundo ao redor. O problema da utilização de ondas

para detectar o mundo físico é que a qualidade da imagem está limitada

ao comprimento de onda que é utilizado.

Nossos olhos são ajustados à luz visível, que tem um comprimento de

onda entre 0.4 e 0.8 micrômetros (0.000001m). Isto significa que eles

não são capazes de ser usados para investigar detalhes menores que

isso, o que, em geral, não é um problema, uma vez que nós não temos

necessidade de olhar coisas que tenham menos de 0.000001m de largura.

Mas os físicos do CERN, envolvidos com o desenvolvimento do LHC,

precisam investigar os componentes da matéria a nível subatômico, onde

as distâncias típicas são da ordem de 0.000000000000001m.

No começo do século XX, descobriu-se que as partículas em movimento

da matéria podem igualmente ser consideradas como ondas, cujo

comprimento de onda seria cada vez menor conforme sua energia fosse

mais elevada. Conseqüentemente, os detalhes menores de um mícron

poderiam, por exemplo, ser examinados usando elétrons, uma vez que sua

energia é suficientemente grande. Este é o princípio do microscópio de

elétrons, que é usado, entre outras coisas, na biologia e na

metalografia para olhar detalhes de pilhas ou de ligas. Entretanto,

mesmo o melhor microscópio de elétrons pode somente mostrar um retrato

distorcido de um átomo.

Já que todas as partículas têm propriedades de onda, os físicos

podem usar partículas com os menores comprimentos de onda possíveis

como suas pontas de prova. Para poder investigar detalhes um bilhão de

vezes menores, é necessário usar as partículas que têm energias um

bilhão de vezes maiores. Isto significa que quanto menores os detalhes

que você quer olhar, maior a máquina você terá que construir!

Como um acelerador funciona

Um acelerador consiste, geralmente, em uma câmara de vácuo cercada

por uma seqüência longa de bombas de vácuo, de ímãs, de cavidades de

radiofrequência, de instrumentos de alta tensão e de circuitos

eletrônicos. Cada uma destas partes tem sua função específica.

A câmara de vácuo é uma tubulação

de metal onde o ar é bombeado permanentemente para fora (pelas bombas

de vácuo) para evitar que as partículas aceleradas colidam com a

matéria normal (como moléculas de ar).

Dentro da tubulação, as partículas são aceleradas por campos elétricos. Estes são fornecidos por cavidades de Radiofrequência

(RF). Cada vez que as partículas são carregadas em transversal em uma

cavidade do RF, o campo elétrico dentro da cavidade lhes dá um ” kick”

, isto é, alguma parte da energia da onda de rádio lhes é transferida.

Para fazer um uso mais eficaz de um número limitado de cavidades do RF,

o acelerador pode forçar o feixe de partícula para atravessar as

cavidades muitas vezes, curvando a trajetória de feixe em um laço

fechado. Isso acontece porque a maioria de aceleradores são

aproximadamente circulares.

O encurvamento do trajeto, para certificar-se de que

as partículas permaneçam dentro de sua trilha circular, é conseguido

geralmente pelo campo magnético dos ímãs do dipolo (que têm um pólo

norte e um pólo sul, como o ímã em ferradura, largamente conhecido).

Isto ocorre porque a força magnética exercida para mover as partículas

carregadas é sempre perpendicular à sua velocidade. Quanto mais elevada

a energia de uma partícula, mais forte é o campo necessário. Isto

significa que, como o campo magnético máximo é limitado, quanto mais

poderosa uma máquina for, maior precisa ser o seu tamanho.

Além do encurvamento do feixe, é igualmente

necessário focalizá-lo. Focalizar o feixe significa ajustar sua largura

e altura de modo que permaneça dentro da câmara de vácuo. Isto é

conseguido pelos ímãs de quatro pólos, que atuam no feixe de partículas

carregadas exatamente da mesma maneira que uma lente atuaria em um

feixe de luz.

Estes são alguns dos ingredientes básicos

necessários para fazer um acelerador. Porém, há muitos mais

componentes, como outros ímãs, elementos de injeção/ejeção (para põr o feixe no acelerador ou para removê-lo) e dispositivos de medida.

Todos estes elementos são controlados a partir de um

centro de controle, muito semelhante aos centros de controle usados

para missões espaciais.