Acelerador de Partículas

Acelerador de partículas LHC fica em Genebra 

• Os aceleradores de partículas são equipamentos que fornecem energia a feixes de partículas subatômicas eletricamente carregadas. Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de grande energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partículas existem nas televisões e geradores de raios-X, na produção de isótopos radioativos, na radioterapia do câncer, na radiografia de alta potência para uso industrial e na polimerização de plásticos.

O acelerador de partículas em um gigantesco cilindro em que partículas nucleares, (geralmente prótons e elétrons, partículas positivas e negativas), giram impulsionados por poderosos imãs. A cada volta, elas ganham mais velocidade, até atingirem um ponto em que são desviadas de seu curso normal para se chocar com átomos de outro material, chamado alvo. O bombardeamento de partículas contra o alvo a velocidades altíssimas provoca alterações, chamadas de reações nucleares, nos átomos que constituem esse material: a colisão faz com que uma ou mais partículas sejam liberadas do núcleo do alvo, transformando-o em outro elemento químico ou um isótopo (elemento com mesmo número de prótons porém diferente número de nêutrons) do mesmo elemento. O estudo dessas reações nucleares permitiu decifrar quase totalmente a constituição do núcleo dos átomos. Graças aos aceleradores podem-se identificar as partículas subatômicas que constituem o átomo, como o quark top. 

• Além disso, o conhecimento das reações nucleares possibilitou que os aceleradores fossem usados na produção de radioisótopos, elementos que emitem radiação e ajudam no diagnóstico médico. O produto é injetado na circulação e seu percurso dentro do corpo pode ser acompanhado por meio de um detector de radiação. Dependendo da concentração de um elemento em um determinado órgão, os médicos podem diagnosticar tumores, processos inflamatórios, mau funcionamento de glândulas e deficiência do músculo cardíaco. Os aceleradores com voltagem menor que 10 milhões de volts induzem reações químicas nos materiais, modificando suas propriedades mecânicas, elétricas ou térmicas. Elas podem ser aplicadas na melhoria de fios e cabos elétricos e na produção de plásticos retráteis por ação do calor, entre outros usos.

Partículas estudadas:

• Além das partículas mais básicas, elétrons, prótons e nêutrons, outras também podem ser aceleradas. Por exemplo: existe a possibilidade de se acelerar partículas compostas; ou seja, partículas alfa, que são constituídas por dois prótons e dois nêutrons. 

O acelerador de partículas é um instrumento essencialmente construído utilizando uma fonte de partículas carregadas expostas a campos elétricos que as aceleram. Após a aceleração passam em seguida por um campo magnético que as desvia de suas trajetórias focalizando-as e controlando as direções(defletindo-as).Todos os tipos de aceleradores independentemente de seu grau de avanço tecnológico obedecem aos mesmos princípios básicos. Devido à disposição geométrica dos campos eletromagnéticos responsáveis pela aceleração das partículas, basicamente são classificados em dois tipos: cíclicos e lineares. 

• Para que possam ocorrer às condições mais próximas do ideal, existe a necessidade de geração de vácuo de excelente qualidade na região de trânsito, evitando assim a dispersão destas pelas moléculas de gases que porventura estejam em sua trajetória.

Prótons Elétrons e Nêutrons

Tipos de aceleradores:

Tubos de raios catódicos:

• Um exemplo simples de acelerador de partículas, com todas as características citadas acima, são os tubos de raios catódicos de aparelhos de televisão. Estes dispositivos dispõem, numa de suas extremidades, um cátodo onde os elétrons ganham energia pelo aquecimento, escapando de seus átomos e ficando “livres”. 

Cada elétron possui uma negativação individual. Ao se destacar do cátodo aquecido pelo filamento (Efeito Edison) estas partículas ficam expostas a um campo elétrico estabelecido pela aplicação de diferença de potencial entre aquele cátodo e o outro extremo, ou ânodo nas proximidades do ecrã (tela, no português brasileiro). 

• Uma vez emitidos, os elétrons são acelerados em direção a um foco entre um elétrodo chamado grade de controle e a um ânodo chamado de primeiro ânodo. A diferença de potencial aplicada à grade de controle determina a corrente eletrônica ou fluxo eletrônico, mais fluxo, mais brilho, menos fluxo, menos brilho, ou seja, controla o bombardeio de elétrons no ecrã. A diferença de potencial do primeiro ânodo num tubo hipotético gira em torno de 250 V proporcionando assim uma primeira aceleração em sua direção, porém, não há a captura das partículas, pois estão sendo atraídas em direção a um potencial maior. A alta tensão está presente no segundo ânodo, esta gira em torno de + 12.000 V, que atrai os elétrons ainda mais, porém, estes passam em alta velocidade e ainda não são capturados devido a geometria tubular do elétrodo. 

Acelerados, os elétrons que passaram pelo primeiro e segundo ânodos são agora manipulados eletronicamente num terceiro ânodo, o de ajuste de foco, isto é, aquele que “afina” ou "alarga" o diâmetro do feixe tal qual uma lente eletrônica cuja tensão gira em torno de + 300 V. 

• Observe-se que os ânodos são positivos, portanto, em cada atração os elétrons ganham mais energia e são mais acelerados. Para facilitar a passagem da corrente eletrônica e dificultar a captura dos elétrons, os ânodos são cilíndricos.  Após passar pelos três primeiros ânodos, os elétrons ainda são acelerados em direção a um quarto ânodo cuja diferença de potencial é em torno de + 12.000 V também acelerando-os ainda mais. 

Após passarem pelos ânodos, os elétrons são então desviados de suas trajetórias por bobinas de deflexão horizontal e vertical(bobinas que geram campo magnético) cuja função é executar a “varredura” para atingir ao ecrã, e ao fazê-lo, ocorre a luminescência(o brilho ou luminescência, que tem cor pré definida conforme o ponto da tela, ocorre devido a mudança de estado energético dos átomos de fósforo depositados sob o ecrã). 

Aceleradores lineares:

• Os aceleradores lineares fazem a partícula seguir uma trajetória reta onde a energia final obtida é proporcional à soma das diferenças de potencial geradas a partir dos mecanismos de aceleração dispostos ao longo da trajetória. Estes aceleradores são desenvolvidos de duas formas ou sistemas. O primeiro sistema é o que utiliza a montagem de componentes que geram um campo magnético longitudinal móvel fornecendo assim energia cinética para os elétrons. 

Este equipamento é provido de uma câmara de aceleração composta de um tubo de vácuo cilíndrico, tipo cavidade ressonante, ou guia de ondas que dirige o campo acelerador. Existe também um amplificador de potência de vários megawatts que excita as câmaras aceleradoras sucessivas e sequenciais que forçam o deslocamento de uma frente de onda progressiva no guia de ondas, esta uma vez sincronizada pelos dispositivos aceleradores se desloca cada vez com maior velocidade até chegar ao fim do tubo. O que assegura a sincronização é a velocidade de fase da onda progressiva que acaba por se igualar à velocidade dos elétrons. 

• De todos os sistemas de aceleração de partículas, este é o mais antigo, porém só foi possível seu desenvolvimento integral a partir de meados da Segunda Guerra Mundial, esta espera ocorreu porque a teoria avançou mais rápido que a prática, e a tecnologia necessitou se desenvolver para a produção do equipamento. Não existia naquela época a técnica de conformação de ondas pelo uso da radio-freqüência em guias de onda. Tão logo ocorreu o desenvolvimento de dispositivos para tal durante a guerra foi possível a produção de reações nucleares. O segundo sistema de aceleração linear utiliza o método de ondas eletromagnéticas estacionárias, estas acabam por acelerar prótons. 

Os prótons possuem massa em torno de duas mil vezes a dos elétrons, gerando uma barreira para sua excitação através de uma guia por ondas progressivas que tenham velocidade de fase igual à sua velocidade de avanço. Os prótons cuja energia é de quatro megavolts têm cerca de dez por cento da velocidade da luz, esta velocidade causa efeitos relativísticos. Estes impossibilitam o uso da técnica de guia de ondas da mesma forma que se usa para elétrons. Logo os aceleradores de ondas estacionárias são usados somente como injetores de prótons para aceleradores cíclicos de grande energia que possuem dispositivos para detectar e corrigir as distorções ocasionadas pelos efeitos relativísticos. 

• No Brasil, o desenvolvimento de aceleradores lineares se deve ao conhecimento e capacidade do Prof. Argus Moreira e sua equipe que projetou e construiu quatro máquinas no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro. Ainda em funcionamento, alguns desses aceleradores ajudam na formação de físicos, engenheiros e técnicos e o desenvolvimento de novas técnicas cientificas.

Detalhe do Acelerador de Partículas.

Aceleradores cíclicos:

• Além dos aceleradores lineares existem os aceleradores cíclicos. Estes são construídos para promover a trajetória curvada das partículas pela ação dos campos magnéticos em espiral ou circular. 

Este tipo de acelerador força a partícula a passar diversas vezes pelos sistemas de aceleração. A energia final das partículas depende da amplitude da diferença de potencial aplicada e do número de voltas que estas dão no dispositivo. Os tipos de aceleradores cíclicos mais utilizados são o cíclotron e o síncrotron.

Ciclotron:

• O cíclotron possui dois eletrodos com a forma de um D, estes são ocos e semicirculares. Sua montagem é numa câmara de vácuo entre os pólos de um eletromagneto. Os prótons, dêuterons (núcleo de um átomo de deutério, constituído por um próton e um nêutron) ou outros íons de maior massa começam a se locomover no interior dos eletrodos em forma de D. Neste momento é injetada uma diferença de potencial alternada de alta freqüência e potência nos eletrodos cuja freqüência é próxima à da circulação iônica, produzindo assim saltos de aumento de velocidade cada vez que estes passam de um eletrodo para o outro subseqüente. 

O que ocorre com as partículas neste momento, é uma trajetória em forma hipoide ou de semicírculos cujos raios são crescentes havendo então uma perda do foco do feixe. É necessário então um sistema de "focalização" para forçar os íons numa trajetória pré determinada, evitando assim a perda iônica por espiralamento. Causando uma re-polarização forçada através da variação radial negativa do campo magnético, haverá sobre a partícula uma pequena componente perpendicular ao plano do movimento de aceleração. Este efeito manterá a trajetória da partícula estável não permitindo a perda desta para fora do acelerador. Essa componente de correção é primordial, pois a trajetória total da partícula muitas vezes chega a centenas de metros e, conforme o caso, milhares.

• A correção de trajetória pela focalização do feixe iônico somado ao efeito relativístico causa um aumento de massa nas partículas, pois é sabido que ao se aumentar sua energia acaba havendo o surgimento de uma diferença entre a freqüência de oscilação do potencial acelerador e a freqüência de circulação da partícula num segmento da sua trajetória. Este efeito gera um erro inflacionário, que aumenta a cada volta, limitando assim a energia máxima da partícula. 

Sincrocíclotron:

• Para resolver este problema do erro exponencial, ou inflacionário, é necessário variar a freqüência aplicada aos eletrodos em forma de D, assim pode-se alterar a focalização iônica através da variação dos campos magnéticos sobre as partículas. Para tal, foi desenvolvido um equipamento chamado sincrocíclotron cuja construção foi possível porque existem órbitas estáveis onde a freqüência de revolução é igual à freqüência da diferença de potencial aplicada aos eletrodos. 

Neste sistema, quando é diminuída a freqüência de oscilação, as partículas têm uma afinidade à sua órbita tendendo então em permanecer nesta, pois absorvem energia dos campos elétricos dos eletrodos. Ao se manter a estabilidade de sincronismo, as partículas acabam ganhando energia e tendem a se movimentar em órbitas cujos raios são crescentes até a órbita máxima permitida pelo projeto do eletromagneto. O sincrocíclotron praticamente não tem limites no número de revoluções necessárias para a obtenção de uma dada energia. 

Síncrotrons:

• O desenvolvimento dos síncrotrons foi necessário para melhorar as soluções de aceleração de partículas cujas trajetórias são de raios fixos. Estes, da mesma forma que os ciclotrons, aceleram as partículas eletricamente e as confinam em campos magnéticos. A diferença é que o síncrotron utiliza o princípio da estabilidade de fase, mantendo desta forma o sincronismo entre campo elétrico aplicado e a freqüência de revolução da partícula. 

O funcionamento se dá através de um campo magnético que causa a deflexão da partícula para uma órbita circular, e cuja intensidade do campo é modulada de forma cíclica, mantendo assim órbitas cujo raio é bastante estável e constante, apesar do ganho de energia e massa conseqüentemente. Uma vez que se usa o campo magnético para manter a órbita ao invés de acelerá-la, as linhas de campo magnético só são necessárias na região anular que é definida pela órbita. O campo é gerado por um eletromagneto anular. 

• Os síncrotrons de prótons são os aceleradores de partículas que atingem a maior energia chegando a 800 GeV, enquanto o síncrotron de elétrons alcança no máximo 12 GeV. A velocidade do próton só chega próxima da velocidade da luz no vácuo com uma energia acima de 1 GeV. O próton acelerado não perde energia por radiação, ou se perde é muito pouco. Os elétrons adquirem uma velocidade muito alta a energias relativamente baixas, e quando defletidos por campos magnéticos irradiam energia eletromagnética próxima do comprimento de onda dos raios X. Essa energia irradiada precisa ser reposta pelo sistema acelerador. 

Câmaras de vácuo anulares:

• Existem outros equipamentos que são usados para acelerar partículas. Praticamente consistem num par de câmaras de vácuo em forma anular. O sistema é utilizado para armazenar feixes de partículas altamente energéticas e provocar colisões frontais entre eles. As altas energias obtidas a partir destas colisões permitem o estudo das interações entre as partículas fundamentais da matéria e da energia.

Os maiores equipamentos:

• Os maiores e mais poderosos aceleradores, como o LHC, lançado no dia 10 de setembro de 2008 e o Tevatron, são usados para física experimental na pesquisa básica das interações fundamentais.

O acelerador brasileiro Sirius é o único da América Latina, mas não o primeiro: mais potente, ele substituirá o UVX, menos moderno, inaugurado em 1997.