Física de partículas - Como funciona um acelerador de partículas?

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No século 20, uma quantidade enorme de novas partículas foram descobertas 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 com ele, 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-se, aceleradores potentes, capazes de detectar antipartículas, como os antiprótons (em 1955) e os antinêutrons (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.

Aceleração e colisão

• 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.