O que são aceleradores de partículas e porque são importantes?

Um acelerador de partículas é um aparelho que produz "feixes" de átomos, elétrons, moléculas ou algumas partículas mais exóticas, como antiprótons, pósitrons ou mésons, com velocidades altas, geralmente superiores a 1/1000 da velocidade da luz c. Para que sejam atingidas estas velocidades, que em alguns casos chegam quase na velocidade da luz, as partículas sofrem a ação de forças eletromagnéticas, com arranjos que diferem bastante entre os diversos tipos de aceleradores.
Um "feixe" de partículas ocorre quando as trajetórias dessas partículas são razoavelmente paralelas e distam menos de 1 centímetro umas das outras. (A palavra "feixe" quer dizer em geral um conjunto de objetos paralelos colocados perto um do outro, como numa vassoura de gravetos onde eles são amarrados por uma corda, vindo daí a palavra "faxina".) Um feixe é caracterizado então pela partícula que o forma, pela sua energia cinética Ec(ou velocidade v) e pelo número de partículas por unidade de tempo N.

Se a carga das partículas for q, há uma relação simples entre a corrente elétrica total do feixe, I, e o fluxo N:

I=Nq. Mas porque alguém aceleraria partículas? A primeira razão é que precisamos conhecê-las melhor e um dos meios de fazer isso é colidí-las em altas velocidades com outras partículas (átomos, fótons, elétrons, moléculas, etc) ou com sólidos. A segunda razão é que podemos usar essas colisões para conhecer melhor os "alvos", por exemplo obtendo a composição química de objetos sólidos.
Há também numerosas aplicações tecnológicas e médicas. A Microeletrônica, por exemplo, não existiria sem aceleradores, chamados "implantadores" porque colocam átomos, geralmente de boro e de fósforo, dentro de um cristal de silício.
(Antes de aceleradores começarem a ser empregados nos anos 60 já eram fabricados válvulas, diodos e transistores - mas sem aceleradores os tamanhos de qualquer circuito eletrônico seriam milhões de vezes maiores que hoje.) Num outro exemplo, a erroneamente chamada Medicina Nuclear usa aceleradores para produzir radioisótopos usados em terapias ou em dignósticos, para produzir raios-X ou para irradiação de tumores com elétrons ultra-rápidos (energia cinética de 20 MeV, equivale a velocidade 0,9997c). Uma questão preliminar é a das unidades. Em geral nos referimos às energias cinéticas em eV ou seus múltiplos keV (1000 eV), MeV (1000 keV), GeV (1000 MeV) ou TeV (1000 GeV).
Um eV é a energia cinética de uma partícula com a carga do elétron que atravessou uma diferença de potencial elétrico de um Volt e corresponde à energia de 1,6 *10 elevado a (-19) Joules. Caso a energia cinética de uma partícula seja muito inferior à sua "energia de repouso" (mc elevado a 2) podemos usar a fórmula usual Ec=(1/2)mv elevado a 2, de outra forma teremos que usar expressões relativísticas.
Como exemplos, um elétron num tubo de TV tem cerca de 25000 eV antes de bater na tela e produzir luz, uma molécula de gás tem cerca de 1/40 do eV, os fótons de luz visível tem cerca de 2 eV, as partículas emitidas pelos núcleo de alguns átomos, chamados radioativos, tem alguns milhões de eV. Se desejarmos estudar o núcleo as energias são geralmente superiores a 1 MeV, podendo ir a GeV. Se quizermos estudar as partículas que formam o núcleo as energias serão maiores ainda, de GeV a Tev.
(Átomos ou núcleos com energia cinética de 1 MeV tem velocidades, dependendo da massa atômica, indo de 0,003 c, para o urânio,a 0,05 c, para o hidrogê.nio. Não apenas a complexidade dessas máquinas aumenta com a energia, em cada faixa estudam-se fenômenos distintos, cuja relevância vai da compreensão de nossa atmosfera até à da origem do universo. Incidentalmente as máquinas gigantescas que trabalham na região de 1 TeV, o CERN na Europa e o Fermilab na América do Norte, tem como subprodutos aplicações tecnológicas em mecânica fina, novos materiais, eletrônica e supercondutividade, sendo isto uma das principais motivações de seus orçamentos anuais de centenas de milhões de dólares. Não iremos falar destes aceleradores, concentrando-nos nos que permitem estudar propriedades atômicas e suas ainda mais generalizadas aplicações, ou seja, as energias disponíveis não serão suficientes para quebrar ou excitar o núcleo atômico, o que quer dizer velocidades entre cerca de 1/1000 e 1/10 de c, ou energias indo de 0,001 eV a alguns MeV. É difícil para nós imaginar que até 200 anos atrás não se soubesse nada sobre átomos ( a Teoria Atômica de Dalton data do início do século XIX) ou que apenas cem anos atrás tenha sido descoberta a existência do elétron, pois hoje toda a tecnologia se baseia em átomos e em elétrons.
Inúmeras aplicações de propriedades atômicas na Engenharia, na Química e na Medicina, não existiam, entre elas quase todas a Eletrônica, a Ciência de Materiais e a Química Analítica (que estuda a composição química de um objeto ou de uma amostra). Pelo lado da Ciência, nesse passado tão recente não eram conhecidos os fenômenos básicos da Química, da Biologia, da Física e da Meteorologia para os quais os átomos (e as moléculas, que são aglomerados de átomos) são fundamentais.
Hoje, por exemplo discutimos as propriedades dos seres vivos e como alterá-las através da Genética Molecular, quando o gen é estudado como formado por grupos de átomos; estudamos a temperatura da Terra e a intensidade de radiação ultravioleta (UV) pelas colisões entre moléculas na atmosfera e somos capazes de calcular propriedades de compostos químicos os mais diversos, nas fases gasosa, líquida ou sólida, usando a Mecânica Quântica. Estamos rodeados de materiais "artificiais", como plásticos, remédios, ligas metálicas e cerâmicas, desconhecidos por nossos antepassados de 100 ou de 200 anos atrás, ou mesmo que desconhecíamos durante nossa infância. A descoberta e/ou produção de muitos deles só foi possível usando propriedades atômicas e moleculares descobertas usando aceleradores.
Foram experiências usando aceleradores que nos permitiram a compreensão que temos dos átomos e das substâncias que nos rodeiam, fornecendo a base para a Mecânica Quântica no início deste século, por sua vez permitindo a compreensão teórica dos fenômenos químicos. Nessas experiências um átomo (em geral ionizado positiva ou negativamente) ou um elétron (uma partícula que existe dentro dele) é acelerado até uma velocidade "alta" e colide com um "alvo", que pode ser um outro átomo, uma molécula, um objeto sólido, a superfície de um líquido, etc. Além de explicar essas propriedades, os aceleradores são usados para fabricar equipamentos baseados nelas. Por exemplo, os aparelhos eletrônicos funcionam baseados em componentes (os circuitos integrados ou "chips", que podem conter o equivalente a dezenas de milhões de transistores) fabricados por implantação de átomos de velocidade alta (obtida usando aceleradores de ions) em cristais de silício. Alguns destes aparelhos, como microcomputadores ou simples televisões, são eles próprios aceleradores, acelerando elétrons até velocidades de 30% da velocidade da luz.
Até 1750, por exemplo, apenas 17 do atuais 105 elementos eram conhecidos e nem era sabido que todas as substâncias eram formadas por combinações desses cento e pouco elementos. Na segunda metade do século XVIII uma sucessão de grandes químicos, como Lavoisier (1743-1794, quando foi morto pelo governo revolucionário da França) e Proust (1754-1826), não apenas mais do que dobraram o número de elementos conhecidos (passou para 40) como também verificaram a existência de relações definidas entre as massas das substâncias envolvidas numa reação química. No início do século XIX Dalton (1766-1844) propôs a Teoria Atômica e Berzelius (1779-1848) a maneira como se denotam os elementos.
Além desses cientistas numerosos outros descobriam novos elementos, sintetizavam novas substâncias e descobriam a "composição química" de muitas outras, algumas conhecidas desde a Antiguidade, como o sal de cozinha, a alumina e a soda. Mas se desconhecia o que eram os átomos. Para estudar os átomos, os núcleos dos átomos e as partículas dentro desses núcleos temos que fazer colisões com velocidades crescentes. Em alguns casos a Natureza já nos fornece átomos (ou ions, que são átomos sem alguns elétrons) com velocidades altas. Exemplos disto são os átomos cujos núcleos emitem espontaneamente partículas alfa (estas são formadas por 2 protons e 2 neutrons, tendo carga elétrica positiva +2e e energias cinéticas da ordem de alguns MeV), sendo uma espécie de "acelerador" que não precisa ser ligado na tomada.... Em 1911 dois físicos, Geiger e Marsden, fizeram a experiencia que levou outro físico, Rutherford, a propor no mesmo ano o atual modelo do átomo (e a tornar-se instantaneamente um químico, ganhando o premio Nobel de Química). Nela um emissor de "alfas" foi colocado perto de uma folha metálica fina e, medindo as partículas alfa após a interaçã com a folha verificou-se que embora a maioria sofresse uma deflexão pequena algumas poucas eram fortemente "espalhadas" para trás.
Rutherford interpretou este fato como a existência de um núcleo pequeno e positivo em torno do qual orbitavam elétrons.
Havia no entanto numerosos problemas para compatibilizar as teorias da Física vigente com esse modelo, o que deu um grande impulso à busca de uma nova mecânica, a Quântica, o que demorou cerca de duas décadas. Outro tipo de partícula rápida que a Natureza nos dá é o raio cósmico, onde partículas atingem a Terra, eventualmente com energias muito superiores à dos aceleradores de maior porte atuais.
Uma parte da compreensão atual sobre as partículas usou resultados de medição desses raios cósmicos, como as medidas feitas pelo físico brasileiro Lattes na Bolívia na década de 50. A Química hoje seria provavelmente descrita como a ciência que estuda os átomos e as moléculas: como reagem uns com os outros, como emitem ou absorvem luz, como se ionizam, perdendo ou ganhando elétrons, etc. Uma "reação química", por exemplo a de combustão quando uma molécula de açúcar e uma de oxigênio reagem dentro de um ser vivo fornecendo energia, é uma "colisão", mesmo que nesse caso as velocidades sejam baixas.
Do ponto de vista aplicado diversas técnicas (como o PIXE, o RBS e o Auger) se baseiam na emissão de elétrons ou de raios-X por átomos que foram alvejados por elétrons ou por ions de alta velocidade, obtidos em aceleradores. Grande parte das informações que temos sobre os átomos e sobre as moléculas vem dessas colisões, feitas de forma controlada. Podemos ter um feixe de luz monocromática atravessando um meio e considerar que as partículas de luz (fótons) colidem com um "alvo" de átomos ou moléculas.
Podemos ter uma experiência bem similar, onde ao invés de luz temos feixes de elétrons ou de ions, cada feixe sendo composto por partículas com a mesma energia cinética. Aceleradores são tambem fundamentais em aplicacões . Os microcircuitos de um computador são fabricados acelerando ions a dezenas de milhares de eV e jogando-os contra uma pastilha de silicio. Estes aceleradores são chamados implantadores e sem eles nao haveria nem a elétronica moderna nem os computadores.
Outras aplicacoes existem na Medicina, onde frequentemente aceleradores de elétrons com 20 milhões de eV são usados para irradiar pacientes com cancer (os elétrons destroem o tecido canceroso). Na medicina também são usados para fazer a produção de substâncias radioativas, as quais podem ser usadas para tratar o cancer. Um tubo de raios-X, equipamento usado rotineiramente no diagnóstico mé:dico desde meados deste século XX, é um acelerador de elétrons, que atingem algumas dezenas ou centenas de milhares de eV e incidem sobre uma folha metálica, cujos átomos emitem raios-X.

Mas, como se acelera um elétron, ou um íon ou um átomo?

Essencialmente são forcas elétricas que fazem isso, ou diretamente (como no tubo de TV ou no de raios-X) ou indiretamente, quando campos magnéticos variaveis no tempo produzem forcas elétricas (os aceleradores acima de alguns milhoes de eV em geral são desse tipo).

Entre os diferentes tipos de aceleradores temos:

Os "tandems", onde ions negativos são acelerados por um potencial elétrico positivo até um alvo gasoso ou sólido onde perdem elétrons, virando ions positivos e sendo acelerados novamente ( Nosso acelerador na UFRJ é desse tipo, se tivermos por exemplo um feixe de H- e um potencial de 1,7 MV vamos obter um feixe de H+ com 3,4 MeV.
No Brasil há outros similares na UFRGS e na USP); - os Van de Graaff, onde uma esfera é carregada eletricamente até alguns MV e dentro dela se coloca uma fonte de ions, os quais são acelerados (No Brasil há um na PUC/RJ.); -os lineares, onde um campo magnético variável induz um campo elétrico variável na direção do tubo do acelerador, com o campo eletrico &sendo oscilante, mas com o feixe sendo pulsado, para só percorrer o tubo quando o campo aponta no sentido desejado (No Brasil há aceleradores deste tipo no CBPF, na USP e em muitos hospitais.); - o ciclotron, onde o íon descreve semicirculos sob a ação de campo magnético, entre esses semicirculos é acelerado por um campo elétrico e, como passa diversas vezes nesse mesma região, um potencial elétrico pequeno resulta numa grande energia final (No Brasil temos aceleradores destes no IEN e no IPEN, respectivamente nas cidades do Rio de Janeiro e de São Paulo.) e -os eletrostáticos de baixa voltagem (até algumas centenas de keV) onde um elétron ou um íon é acelerado por um gerador externo (No Brasil são empregados para acelerar elétrons, sendo encontrados na UFRJ e na UFSCar.
Além desses aceleradores, obviamente temos todos os tubos de raios-x, todos os aparelhos de TV e todos os monitores de vídeo de computadores, formalmente aceleradores mas que são empregados para finalidades outras que não a pesquisa...)
Temos também o sincrotron de radiação onde elétrons são acelerados a energias da ordem de GeV e, como percorrem trajetórias curvas, emitem fortemente luz polarizada, monocromática e de alta frequência. Estes aceleradores no entanto não são usados para colidir as partículas aceleradas com um "alvo" mas sim para fazer interagir essa "luz sincrotron" com alvos. (No Brasil temos o Laboratório Nacional dfe Luz Sincrotron, em Campinas.).

Aceleradores de Partículas

Introdução

No início do século XX, foi descoberta a estrutura do átomo. A partir disto pôde-se perceber que o átomo era feito de fragmentos menores aos quais deram o nome de partículas subatômicas. No entanto, tinham a idéia que essas partículas eram mais notadamente os prótons, nêutrons e os elétrons.
Entretanto, os experimentos conduzidos na segunda metade do século XX com os “quebradores de átomos” ou “aceleradores de partículas”, revelaram que a estrutura subatômica do átomo era muito mais complexa.
E é esta complexidade que vamos tentar desvendar com a realização deste trabalho.
Os aceleradores de partículas
Na década de 30, os cientistas investigaram os raios cósmicos. Quando estas partículas altamente energéticas (prótons) do espaço exterior atingem os átomos de chumbo, (por exemplo: o núcleo dos átomos) muitas partículas minúsculas são pulverizadas. Estas partículas não são prótons ou nêutrons, mas são muito menores. Por isso, os cientistas concluíram que o núcleo deve ser feito de partículas bem menores e mais elementares. A pesquisa começou por causa destas 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.
Como funciona um acelerador de partículas?
Os aceleradores de partículas estão em nosso dia-a-dia. O tubo de raio cátodo (CRT) de qualquer televisão ou monitor de computador são exemplos simples de aceleradores de partículas.
O CRT pega as partículas (elétrons) do cátodo, acelerando-as, e muda sua direção usando eletroímãs em um vácuo. Depois, as quebra em uma molécula de fósforo na tela. O resultado da colisão é um ponto de luz, ou um pixel, na sua TV ou no monitor de computador. Um acelerador de partícula funciona do mesmo modo, exceto que eles 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 quebrar o triângulo de bolas no bilhar. Quando a bola é atingida pelo taco (partícula energizada), ela 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 formando um círculo até colidirem com o alvo.

As partículas subatômicas

Quando os físicos começaram a usar os aceleradores nos anos de 50 e 60, descobriram centenas de partículas menores do que as três bem conhecidas: prótons, nêutrons e elétrons. Na medida em que os grandes aceleradores eram construídos (aqueles que podiam fornecer raios de energia mais altos), mais partículas iam sendo encontradas. A maioria destas partículas existe por apenas frações de segundo, e algumas delas combinam-se para formar outras compostas mais estáveis. Algumas partículas são envolvidas nas forças que mantêm o núcleo do átomo unido e outras não.
De acordo o modelo sugerido nesta época, a matéria pode ser dividida nos seguintes blocos:
Férmions - partículas subatômicas que torna conhecida a matéria e a antimatéria
Matéria: que por sua vez se divide em:
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, antileptons).
Hádrons - partículas compostas (exemplos: próton, nêutron).
Bósons - partículas que carregam forças (quatro tipos conhecidos).

Léptons

Os léptons parecem ser partículas pontuais e sem estrutura (sem tamanho discernível) e, portanto realmente fundamentais.
Os léptons são partículas extremamente pequenas (menos de 10-15 m rádio) 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.
Um lépton pode ser um eletron, um múon, um tau lépton, um neutrino de elétron, neutrino de múon ou um neutrino tau.
Eletron: Partícula que circunda o núcleo atômico, identificada em 1897 pelo inglês Joseph Thomson. O elétron é uma partícula sub-atômica de carga negativa e é o responsável pela criação de campos magnéticos e elétricos.O elétron, além de interagir com outras partículas pela força electromagnética, também interage pela força nuclear, onde normalmente vem acompanhado do seu neutrino associado. Sua antipartícula é o positron, com a mesma massa, mas carga positiva.
Múon: é uma partícula elementar semi-estável com carga elétrica negativa e spin de 1/2 Em conjunto com o eletron, o tau e seus respectivos neutrinos, é classificado como fazendo parte da família dos léptons. Tal como todas as partículas fundamentais, o muão tem a sua antipartícula, com carga oposta mas com massa e spin idêntico: o antimuão.
Tau lépton: O tau é um lépton, isto é, não sente a força forte e é também um férmion, e tem spin igual a um meio. O tau possui carga elétrica negativa.
Neutrino: é uma partícula dificilmente detectada porque sua interação com a matéria é muito fraca, sua carga é neutra e sua massa extremamente pequena, sua formação se dá em diversos processos de desintegração em que sofre transição para um estado de energia mais baixa quando o hidrogênio é convertido em hélio no interior do Sol.

Quarks

Os quarks são partículas extremamente pequenas (menos de 10-15 m rádio) 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 (s) - carga = -1/3
Charm (c) - carga = +2/3
Bottom (b) - carga = -1/3
Top (t) - carga = +2/3 (mais maciço, descoberto em 1995)
A partir de agora, os quarks são considerados como sendo as partículas mais fundamentais.

Antimatéria

A antimatéria consiste em matéria composta de antipartículas das partículas que constituem a matéria normal. Considera-se que a antimatéria possui carga elétrica oposta à matéria. Um átomo de antihidrogênio, por exemplo, é composto de um antipróton de carga negativa orbitado por um posítron de carga positiva. Se um par partícula/antipartícula entra em contato estes se aniquilam entre si produzindo energia que pode manifestar-se na forma de outras partículas, antipartículas ou radiaçao eletromagnética.
Não se sabe muito sobre a antimatéria. A primeira partícula antimatéria descoberta foi o pósitron, que tem uma massa similar a um elétron, mas com uma carga positiva.

Hádrons

A categoria dos hádrons inclui o próton e o nêutron, alem de centenas de partículas efêmeras produzidas em colisões de alta energia em aceleradores. Os hádrons não são elementares, pois ocupam certo volume no espaço e possuem massa, e segundo a teoria das partículas, são formados por elementos mais básicos: os quarks.
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)]

Hádrons podem ser classificados pelo que são compostos e por seu spin:

Bárions: são compostos de três quarks e têm spin semi-inteiro, caracterizando-se como férmions.
Mésons: são compostos de um quark e outro antiquark e são bósons, ou seja, têm spin inteiro.
Hádrons exóticos possuem um número diferente de quarks que os hádrons ordinários:
Um bárion exotico é composto de um número ímpar maior que três de quarks.
Um méson exotico contém mais de um par quark-antiquark.
Um méson híbrido consiste de ao menos um par quark-antiquark mais ao menos um glúon que não seja virtual.
Uma bola de glúons não contém quark algum, sendo composta apenas de glúons. Estas entidades misturam-se facilmente com mésons ordinários, tornando-se de difícil identificação.

Bósons

Os bósons são as únicas partículas associadas com a radiação eletromagnética (força responsável por eventos elétricos e magnéticos) que, num limitado espectro de energia é chamado de luz.
Considera-se que estas partículas são trocadas quando as interações acontecem. Uma interação é definida como um impulso ou puxão. Richard Feynman sugeriu que as interações ocorrem quando duas partículas trocam um bóson, ou partícula padronizada.
Há quatro bósons conhecidos:
Glúon - mediador da interação forte entre quarks, mas apenas opera sobre distâncias de 10-13 cm; O glúon é um bóson vetorial de massa nula associado ao campo de cor. É responsável pela força de coesão que mantém os quarks unidos para formar hádrons.
W e Z - mediador da interação fraca (1/10 mil interação forte), mas apenas opera sobre distâncias de 10-15 cm;
Fóton - mediador de interação eletromagnética (1/137 interação forte) e opera sobre uma distância infinita;
Existe ainda uma quinta partícula denominada gráviton. O gráviton é considerado como mediador da gravidade que é 10-39 interação forte e opera sobre uma distância infinita. Pode-se dizer que ele é o quantum do campo gravitacional. Só existe com velocidades próximas ou iguais à velocidade da luz no vácuo.

Bóson de Higgs

Todas as partículas conhecidas e previstas são divididas em duas classes: férmions (partículas com spin da metade de um numero impar) e bósons(partículas com spin inteiro). Bóson de Higgs é uma partícula elementar escalar maciça hipotética predita para validar o modelo padrão atual de partícula. É a única particula do modelo padrão que ainda não foi observada, mas representa a chave para explicar à origem da massa das outras partículas elementares. As massas da partícula elementar, e as diferenças entre o eletromagnetismo(causado pelo fóton) e a força fraca (causada pelos bósons de W e de Z), são críticas a muitos aspectos da estrutura da matéria microscópica e macroscópica; assim se existir, o bóson de Higgs terá um efeito enorme no mundo em torno de nós.
Para entendermos melhor a divisão do átomo: