Física de partículas: como funciona um acelerador de partículas?
No século 20, uma quantidade enorme de novas partículas foi descoberta, e a ideia sobre quais seriam as partículas elementares -as constituintes básicas da matéria, que não são formadas por nenhuma outra partícula- mudou.
Podemos dizer que a década de 1950 marca o surgimento da física de partículas como um novo ramo da física. E, junto dela, surge um modelo para explicar essa nova gama de partículas e suas interações, conhecido como Modelo Padrão (Standard).
Para estudar essas pequenas partículas e suas interações, ou seja, para estudar a matéria em seu interior, os pesquisadores precisaram criar, artificialmente, condições em que as partículas se manifestassem com altíssimas energias. Para cumprir essa finalidade desenvolveram aceleradores potentes, capazes de detectar antipartículas, como os antiprótons (em 1955) e os antinêutrons (em 1956).
Apenas para efeito de comparação, uma tomada comum pode resultar num choque de uma centena (102) de elétron-volt (eV), enquanto as altíssimas energias das partículas deveriam ser da ordem de 109 (o número um seguido de nove zeros!) a 1012 (o número um seguido de doze zeros!). Para tanto, foram desenvolvidos os aceleradores de partículas.
*Observação: um elétron-volt (eV) representa a energia que um elétron adquire ao ser acelerado por uma ddp (diferença de potencial) de 1 V. É uma unidade de energia comumente utilizada em física nuclear. 1 eV corresponde a 1,6 . 10-19 J.
Funcionamento
O acelerador provoca um aumento de velocidade em uma partícula carregada por meio de campos eletromagnéticos -e essa partícula é atirada contra um ponto específico, onde existem detectores que registram o evento.
Dois conceitos físicos estão presentes aqui: o aumento de velocidade da partícula carregada, sua aceleração, ocorre devido à presença de um campo elétrico, sendo que a mudança de trajetória (quando é curvada) resulta da ação de um campo magnético.
Um exemplo simples de acelerador de partículas é a televisão, onde elétrons são liberados, acelerados por um campo elétrico e colimados por um campo magnético, atingindo a tela e formando a imagem.
Os aceleradores de partículas têm como princípio de funcionamento uma fonte de íons, geralmente obtida ionizando-se átomos de hidrogênio, constituídos por um próton em seu núcleo, juntamente com um nêutron e um elétron orbitando ao seu redor.
Para obter a fonte de íons os pesquisadores podem utilizar:
- Elétrons: por meio do aquecimento de um metal ou por uma descarga elétrica, permitindo que a energia de ligação (entre o próton e elétron) seja vencida e resultando na separação dos elétrons. É o que ocorre na televisão, onde os elétrons são liberados pelo aquecimento de um filamento -e também no chamado tubo de raios catódicos. Assim, conseguem-se muitos elétrons separados, que podem ser direcionados pela ação de campos elétricos e magnéticos, resultando em feixes de partículas.
- Prótons: obtidos pela ionização do hidrogênio, através do mesmo processo citado anteriormente. Afinal, se o elétron é separado do hidrogênio, ficamos com o próton também separado.
- Antipartículas: obtidas quando partículas com altíssimas energias colidem com um alvo. Na colisão são criados pares de partículas e antipartículas por meio da troca de fótons ou glúons. Esses pares são separados com a utilização de campos magnéticos.
O feixe de partículas produzido é utilizado no acelerador, onde campos elétricos atraem ou repelem essas partículas carregadas, produzindo uma aceleração.
O sentido e a direção dessas partículas são controlados por meio de campos magnéticos associados a ímãs gigantes colocados ao longo do acelerador. Esses campos magnéticos têm que ser mais intensos à medida que a velocidade da partícula aumenta, pois, com a aceleração, essas partículas aumentam também a sua energia cinética, tornando-se mais difícil mudar sua trajetória. Com uma energia bem maior, o feixe de partículas colide com um alvo, onde detectores vão colher informações de acordo com o interesse dos pesquisadores.
Essas colisões podem ocorrer da seguinte maneira:- Alvo fixo - o feixe de partículas, após obter uma grande quantidade de energia no acelerador, colide com um alvo imóvel.
- Alvo móvel - são utilizados dois feixes de partículas em sentidos contrários que se cruzarão. Consequentemente, algumas partículas irão colidir.