Um acelerador de partículas é um dispositivo que cria um feixe de partículas atômicas ou subatômicas eletricamente carregadas movendo-se a velocidades próximas da luz. Seu trabalho é baseado em um aumento em sua energia por um campo elétrico e uma mudança na trajetória - por um magnético.
Para que servem os aceleradores de partículas?
Estes dispositivos são amplamente utilizados em vários campos da ciência e da indústria. Hoje, são mais de 30 mil deles em todo o mundo. Para um físico, os aceleradores de partículas servem como uma ferramenta para pesquisas fundamentais sobre a estrutura dos átomos, a natureza das forças nucleares e as propriedades dos núcleos que não ocorrem na natureza. Estes últimos incluem transurânio e outros elementos instáveis.
Com a ajuda de um tubo de descarga, tornou-se possível determinar a carga específica. Os aceleradores de partículas também são usados na produção de radioisótopos, em radiografia industrial, em radioterapia, na esterilização de materiais biológicos e em radiocarbono.análise. As maiores instalações são usadas no estudo de interações fundamentais.
O tempo de vida de partículas carregadas em repouso em relação ao acelerador é menor do que o de partículas aceleradas a velocidades próximas à velocidade da luz. Isso confirma a relatividade dos intervalos de tempo SRT. Por exemplo, no CERN, foi alcançado um aumento de 29 vezes no tempo de vida dos múons a uma velocidade de 0,9994c.
Este artigo discute como funciona um acelerador de partículas, seu desenvolvimento, diferentes tipos e características distintas.
Princípios de aceleração
Independentemente de quais aceleradores de partículas você conhece, todos eles têm elementos comuns. Primeiro, todos eles devem ter uma fonte de elétrons no caso de um cinescópio de televisão, ou elétrons, prótons e suas antipartículas no caso de instalações maiores. Além disso, todos eles devem ter campos elétricos para acelerar as partículas e campos magnéticos para controlar sua trajetória. Além disso, o vácuo no acelerador de partículas (10-11 mm Hg), ou seja, a quantidade mínima de ar residual, é necessário para garantir uma longa vida útil das vigas. E, finalmente, todas as instalações devem ter meios para registrar, contar e medir partículas aceleradas.
Geração
Elétrons e prótons, que são mais comumente usados em aceleradores, são encontrados em todos os materiais, mas primeiro eles precisam ser isolados deles. Os elétrons geralmente são geradosassim como em um cinescópio - em um dispositivo chamado "arma". É um cátodo (eletrodo negativo) no vácuo, que é aquecido até o ponto em que os elétrons começam a se separar dos átomos. Partículas carregadas negativamente são atraídas para o ânodo (eletrodo positivo) e passam pela saída. A própria arma também é o acelerador mais simples, pois os elétrons se movem sob a influência de um campo elétrico. A tensão entre o cátodo e o ânodo é geralmente entre 50-150 kV.
Além dos elétrons, todos os materiais contêm prótons, mas apenas os núcleos dos átomos de hidrogênio consistem em prótons únicos. Portanto, a fonte de partículas para aceleradores de prótons é o hidrogênio gasoso. Nesse caso, o gás é ionizado e os prótons escapam pelo orifício. Em grandes aceleradores, os prótons são frequentemente produzidos como íons de hidrogênio negativos. São átomos com um elétron extra, que são o produto da ionização de um gás diatômico. É mais fácil trabalhar com íons de hidrogênio carregados negativamente nos estágios iniciais. Em seguida, eles passam por uma folha fina que os priva de elétrons antes do estágio final de aceleração.
Aceleração
Como funcionam os aceleradores de partículas? A principal característica de qualquer um deles é o campo elétrico. O exemplo mais simples é um campo estático uniforme entre potenciais elétricos positivos e negativos, semelhante ao que existe entre os terminais de uma bateria elétrica. Em talcampo, um elétron carregando uma carga negativa está sujeito a uma força que o direciona para um potencial positivo. Ela o acelera e, se não houver nada que impeça isso, sua velocidade e energia aumentam. Elétrons movendo-se em direção a um potencial positivo em um fio ou mesmo no ar colidem com átomos e perdem energia, mas se estiverem no vácuo, eles aceleram à medida que se aproximam do ânodo.
A tensão entre a posição inicial e final de um elétron determina a energia adquirida por ele. Ao se mover através de uma diferença de potencial de 1 V, é igual a 1 elétron-volt (eV). Isso é equivalente a 1,6 × 10-19 joules. A energia de um mosquito voador é um trilhão de vezes maior. Em um cinescópio, os elétrons são acelerados por uma tensão de mais de 10 kV. Muitos aceleradores atingem energias muito mais altas, medidas em mega-, giga- e teraelectronvolts.
Variedades
Alguns dos primeiros tipos de aceleradores de partículas, como o multiplicador de tensão e o gerador de Van de Graaff, usavam campos elétricos constantes gerados por potenciais de até um milhão de volts. Não é fácil trabalhar com tensões tão altas. Uma alternativa mais prática é a ação repetitiva de campos elétricos fracos gerados por baixos potenciais. Este princípio é usado em dois tipos de aceleradores modernos - lineares e cíclicos (principalmente em ciclotrons e síncrotrons). Os aceleradores de partículas lineares, em suma, passam uma vez por uma sequênciacampos acelerados, enquanto no cíclico eles se movem repetidamente ao longo de um caminho circular através de campos elétricos relativamente pequenos. Em ambos os casos, a energia final das partículas depende do efeito combinado dos campos, de modo que muitos pequenos "choques" se somam para dar o efeito combinado de um grande.
A estrutura de repetição de um acelerador linear para criar campos elétricos envolve naturalmente o uso de tensão CA em vez de tensão CC. Partículas carregadas positivamente são aceleradas em direção ao potencial negativo e ganham um novo impulso se passarem pelo potencial positivo. Na prática, a tensão deve mudar muito rapidamente. Por exemplo, com uma energia de 1 MeV, um próton viaja a velocidades muito altas de 0,46 a velocidade da luz, viajando 1,4 m em 0,01 ms. Isso significa que em um padrão repetido de vários metros de comprimento, os campos elétricos devem mudar de direção a uma frequência de pelo menos 100 MHz. Aceleradores lineares e cíclicos de partículas carregadas, via de regra, as aceleram usando campos elétricos alternados com frequência de 100 a 3000 MHz, ou seja, variando de ondas de rádio a microondas.
Uma onda eletromagnética é uma combinação de campos elétricos e magnéticos alternados que oscilam perpendicularmente entre si. O ponto chave do acelerador é ajustar a onda para que quando a partícula chegue, o campo elétrico seja direcionado de acordo com o vetor aceleração. Isso pode ser feito com uma onda estacionária - uma combinação de ondas viajando em direções opostas em um circuito fechado.espaço, como ondas sonoras em um tubo de órgão. Uma alternativa para elétrons em movimento muito rápido que se aproximam da velocidade da luz é uma onda viajante.
Autophasing
Um efeito importante ao acelerar em um campo elétrico alternado é o "autophasing". Em um ciclo de oscilação, o campo alternado vai de zero através de um valor máximo novamente até zero, cai para um mínimo e sobe para zero. Então ele passa pelo valor necessário para acelerar duas vezes. Se a partícula em aceleração chegar muito cedo, ela não será afetada por um campo de força suficiente e o impulso será fraco. Quando ela chegar à próxima seção, ela se atrasará e sofrerá um impacto mais forte. Como resultado, ocorrerá autophasing, as partículas estarão em fase com o campo em cada região de aceleração. Outro efeito seria agrupá-los ao longo do tempo em grupos em vez de um fluxo contínuo.
Direção do feixe
Os campos magnéticos também desempenham um papel importante no funcionamento de um acelerador de partículas carregadas, pois podem mudar a direção de seu movimento. Isso significa que eles podem ser usados para "dobrar" as vigas ao longo de um caminho circular para que elas passem várias vezes pela mesma seção de aceleração. No caso mais simples, uma partícula carregada movendo-se em ângulo reto com a direção de um campo magnético uniforme é submetida a uma forçaperpendicular tanto ao vetor de seu deslocamento quanto ao campo. Isso faz com que o feixe se mova ao longo de uma trajetória circular perpendicular ao campo até sair de sua área de ação ou outra força começar a agir sobre ele. Este efeito é usado em aceleradores cíclicos, como o cíclotron e o síncrotron. Em um ciclotron, um campo constante é gerado por um grande ímã. As partículas, à medida que sua energia cresce, espiralam para fora, acelerando a cada revolução. Em um síncrotron, os cachos se movem em torno de um anel com raio constante e o campo criado pelos eletroímãs ao redor do anel aumenta à medida que as partículas aceleram. Os ímãs "dobráveis" são dipolos com os pólos norte e sul dobrados em forma de ferradura para que o feixe possa passar entre eles.
A segunda função importante dos eletroímãs é concentrar os feixes de modo que sejam tão estreitos e intensos quanto possível. A forma mais simples de um ímã de focagem é com quatro pólos (dois norte e dois sul) opostos um ao outro. Eles empurram as partículas para o centro em uma direção, mas permitem que elas se propaguem na direção perpendicular. Os ímãs quadrupolo focam o feixe horizontalmente, permitindo que ele saia de foco verticalmente. Para fazer isso, eles devem ser usados em pares. Ímãs mais complexos com mais pólos (6 e 8) também são usados para uma focagem mais precisa.
À medida que a energia das partículas aumenta, a força do campo magnético que as guia aumenta. Isso mantém o feixe no mesmo caminho. O coágulo é introduzido no anel e acelerado paraenergia necessária antes que possa ser retirada e usada em experimentos. A retração é alcançada por eletroímãs que se ligam para empurrar as partículas para fora do anel síncrotron.
Colisão
Os aceleradores de partículas usados na medicina e na indústria produzem principalmente um feixe para um propósito específico, como radioterapia ou implantação de íons. Isso significa que as partículas são usadas uma vez. Por muitos anos, o mesmo aconteceu com os aceleradores usados na pesquisa básica. Mas na década de 1970, foram desenvolvidos anéis em que os dois feixes circulam em direções opostas e colidem ao longo de todo o circuito. A principal vantagem de tais instalações é que em uma colisão frontal, a energia das partículas vai diretamente para a energia de interação entre elas. Isso contrasta com o que acontece quando o feixe colide com o material em repouso: neste caso, a maior parte da energia é gasta para colocar o material alvo em movimento, de acordo com o princípio da conservação do momento.
Algumas máquinas de feixe de colisão são construídas com dois anéis que se cruzam em dois ou mais lugares, nos quais partículas do mesmo tipo circulam em direções opostas. Colisores com partículas e antipartículas são mais comuns. Uma antipartícula tem a carga oposta de sua partícula associada. Por exemplo, um pósitron é carregado positivamente, enquanto um elétron é carregado negativamente. Isso significa que o campo que acelera o elétron desacelera o pósitron,movendo-se na mesma direção. Mas se o último se mover na direção oposta, ele acelerará. Da mesma forma, um elétron movendo-se através de um campo magnético se curvará para a esquerda e um pósitron se curvará para a direita. Mas se o pósitron se mover em direção a ele, seu caminho ainda se desviará para a direita, mas ao longo da mesma curva do elétron. Juntos, isso significa que essas partículas podem se mover ao longo do anel síncrotron devido aos mesmos ímãs e ser aceleradas pelos mesmos campos elétricos em direções opostas. Muitos dos colisores mais poderosos em feixes em colisão foram criados de acordo com este princípio, pois apenas um anel acelerador é necessário.
O feixe no síncrotron não se move continuamente, mas é combinado em "aglomerados". Eles podem ter vários centímetros de comprimento e um décimo de milímetro de diâmetro e conter cerca de 1012 partículas. Esta é uma densidade pequena, uma vez que uma substância deste tamanho contém cerca de 1023 átomos. Portanto, quando os feixes se cruzam com os feixes que se aproximam, há apenas uma pequena chance de que as partículas interajam umas com as outras. Na prática, os cachos continuam a se mover ao longo do anel e se encontram novamente. O vácuo profundo no acelerador de partículas (10-11 mmHg) é necessário para que as partículas possam circular por muitas horas sem colidir com as moléculas de ar. Portanto, os anéis também são chamados de acumulativos, pois os feixes ficam realmente armazenados neles por várias horas.
Registrar
Aceleradores de partículas em sua maioria podem registrar o que acontece quandoquando as partículas atingem um alvo ou outro feixe se movendo na direção oposta. Em um cinescópio de televisão, os elétrons de uma arma atingem um fósforo na superfície interna da tela e emitem luz, que recria a imagem transmitida. Em aceleradores, esses detectores especializados respondem a partículas espalhadas, mas geralmente são projetados para gerar sinais elétricos que podem ser convertidos em dados de computador e analisados usando programas de computador. Apenas elementos carregados criam sinais elétricos ao passar por um material, por exemplo, excitando ou ionizando átomos, e podem ser detectados diretamente. Partículas neutras como nêutrons ou fótons podem ser detectadas indiretamente através do comportamento das partículas carregadas que elas colocam em movimento.
Existem muitos detectores especializados. Alguns deles, como o contador Geiger, simplesmente contam partículas, enquanto outros são usados, por exemplo, para registrar trilhas, medir velocidade ou medir a quantidade de energia. Os detectores modernos variam em tamanho e tecnologia, desde pequenos dispositivos de carga acoplada a grandes câmaras cheias de gás que detectam os rastros ionizados criados por partículas carregadas.
Histórico
Os aceleradores de partículas foram desenvolvidos principalmente para estudar as propriedades de núcleos atômicos e partículas elementares. Desde a descoberta da reação entre o núcleo de nitrogênio e a partícula alfa pelo físico britânico Ernest Rutherford em 1919, todas as pesquisas em física nuclear até1932 foi gasto com núcleos de hélio liberados do decaimento de elementos radioativos naturais. As partículas alfa naturais têm uma energia cinética de 8 MeV, mas Rutherford acreditava que, para observar o decaimento de núcleos pesados, elas deveriam ser aceleradas artificialmente para valores ainda maiores. Na época parecia difícil. No entanto, um cálculo feito em 1928 por Georgy Gamow (da Universidade de Göttingen, Alemanha) mostrou que íons com energias muito mais baixas poderiam ser usados, e isso estimulou tentativas de construir uma instalação que fornecesse um feixe suficiente para pesquisas nucleares.
Outros eventos deste período demonstraram os princípios pelos quais os aceleradores de partículas são construídos até hoje. Os primeiros experimentos bem sucedidos com íons acelerados artificialmente foram realizados por Cockcroft e W alton em 1932 na Universidade de Cambridge. Usando um multiplicador de voltagem, eles aceleraram prótons a 710 keV e mostraram que estes reagem com o núcleo de lítio para formar duas partículas alfa. Em 1931, na Universidade de Princeton, em Nova Jersey, Robert van de Graaff construiu o primeiro gerador eletrostático de correia de alto potencial. Multiplicadores de tensão Cockcroft-W alton e geradores Van de Graaff ainda são usados como fontes de energia para aceleradores.
O princípio de um acelerador ressonante linear foi demonstrado por Rolf Wideröe em 1928. Na Universidade de Tecnologia da Renânia-Vestefália em Aachen, Alemanha, ele usou uma alta voltagem alternada para acelerar íons de sódio e potássio para energias duas vezessuperando os informados por eles. Em 1931, nos Estados Unidos, Ernest Lawrence e seu assistente David Sloan, da Universidade da Califórnia, Berkeley, usaram campos de alta frequência para acelerar íons de mercúrio a energias superiores a 1,2 MeV. Este trabalho complementou o acelerador de partículas pesadas Wideröe, mas os feixes de íons não foram úteis na pesquisa nuclear.
O acelerador ressonante magnético, ou cíclotron, foi concebido por Lawrence como uma modificação da instalação Wideröe. O aluno de Lawrence Livingston demonstrou o princípio do ciclotron em 1931, produzindo íons de 80 keV. Em 1932, Lawrence e Livingston anunciaram a aceleração de prótons para mais de 1 MeV. Mais tarde, na década de 1930, a energia dos ciclotrons atingiu cerca de 25 MeV, e a dos geradores Van de Graaff atingiu cerca de 4 MeV. Em 1940, Donald Kerst, aplicando os resultados de cálculos orbitais cuidadosos ao projeto de ímãs, construiu o primeiro betatron, um acelerador de elétrons de indução magnética, na Universidade de Illinois.
Física moderna: aceleradores de partículas
Após a Segunda Guerra Mundial, a ciência da aceleração de partículas para altas energias progrediu rapidamente. Foi iniciado por Edwin Macmillan em Berkeley e Vladimir Veksler em Moscou. Em 1945, ambos descreveram independentemente o princípio da estabilidade de fase. Este conceito oferece um meio de manter órbitas de partículas estáveis em um acelerador cíclico, o que eliminou a limitação da energia dos prótons e possibilitou a criação de aceleradores de ressonância magnética (síncrotrons) para elétrons. Autophasing, a implementação do princípio de estabilidade de fase, foi confirmado após a construçãoum pequeno synchrocyclotron na Universidade da Califórnia e um synchrotron na Inglaterra. Pouco tempo depois, foi criado o primeiro acelerador ressonante linear de prótons. Este princípio tem sido usado em todos os grandes síncrotrons de prótons construídos desde então.
Em 1947, William Hansen, na Universidade de Stanford, na Califórnia, construiu o primeiro acelerador linear de elétrons de ondas viajantes usando a tecnologia de micro-ondas desenvolvida para radar durante a Segunda Guerra Mundial.
O progresso na pesquisa foi possibilitado pelo aumento da energia dos prótons, o que levou à construção de aceleradores cada vez maiores. Essa tendência foi interrompida pelo alto custo de fabricação de enormes ímãs de anel. O maior pesa cerca de 40.000 toneladas. Maneiras de aumentar a energia sem aumentar o tamanho das máquinas foram demonstradas em 1952 por Livingston, Courant e Snyder na técnica de focagem alternada (às vezes chamada de focagem forte). Os síncrotrons baseados neste princípio usam ímãs 100 vezes menores do que antes. Esse foco é usado em todos os síncrotrons modernos.
Em 1956, Kerst percebeu que se dois conjuntos de partículas fossem mantidos em órbitas de interseção, eles poderiam ser observados colidindo. A aplicação dessa ideia exigia o acúmulo de feixes acelerados em ciclos chamados de armazenamento. Esta tecnologia possibilitou atingir a máxima energia de interação das partículas.
