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33.3: Aceleradores criam matéria a partir da energia

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Declare o princípio de um cíclotron.
    • Explique o princípio de um síncrotron.
    • Descreva a voltagem necessária para um acelerador entre os tubos de aceleração.
    • Declare o princípio do acelerador do Fermilab.

    Antes de examinar todas as partículas que conhecemos agora, vamos examinar algumas das máquinas que as criaram. O processo fundamental na criação de partículas até então desconhecidas é acelerar partículas conhecidas, como prótons ou elétrons, e direcionar um feixe delas em direção a um alvo. As colisões com núcleos alvo fornecem uma riqueza de informações, como informações obtidas por Rutherford usando núcleos energéticos de hélio da\(α\) radiação natural. Mas se a energia das partículas recebidas for grande o suficiente, às vezes é criada nova matéria na colisão. Quanto mais energia ou\(ΔE\), mais matéria\(m\) pode ser criada, desde então\(m=ΔE/c^2\). Limitações são impostas ao que pode ocorrer por leis de conservação conhecidas, como conservação de energia de massa, impulso e carga. Ainda mais interessantes são as limitações desconhecidas fornecidas pela natureza. Algumas reações esperadas ocorrem, enquanto outras não, e ainda assim outras reações inesperadas podem aparecer. Novas leis são reveladas e a grande maioria do que sabemos sobre física de partículas vem de laboratórios de aceleradores. É o esporte indoor favorito do físico de partículas, parcialmente inspirado na teoria.

    Aceleradores iniciais

    Um acelerador antigo é uma versão relativamente simples e em grande escala do canhão de elétrons. O Van de Graaff (em homenagem ao físico holandês), que você provavelmente já viu em demonstrações de física, é uma versão pequena dos usados para pesquisas nucleares desde sua invenção para esse fim em 1932 (Figura\(\PageIndex{1}\)). Essas máquinas são eletrostáticas, criando potenciais de até 50 MV e são usadas para acelerar uma variedade de núcleos em uma série de experimentos. As energias produzidas por Van de Graaffs são insuficientes para produzir novas partículas, mas têm sido fundamentais para explorar vários aspectos do núcleo.

    A imagem mostra uma máquina elétrica do tamanho de uma mesa. Tem uma base cúbica da qual sai um tubo vertical transparente com cerca de meio metro de comprimento. Dentro do tubo, uma correia transportadora é vista subindo e descendo o tubo. No topo do tubo há uma esfera metálica de talvez trinta centímetros de diâmetro.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Uma versão artística de um gerador Van de Graaff.

    Outro acelerador precoce, igualmente famoso, é o ciclotron, inventado em 1930 pelo físico americano E. O. Lawrence (1901—1958). Para uma representação visual com mais detalhes, consulte a Figura\(\PageIndex{2}\). Os ciclotrons usam campos elétricos alternados de frequência fixa para acelerar as partículas. As partículas espiralam para fora em um campo magnético, fazendo órbitas de raio cada vez maiores durante a aceleração. Esse arranjo inteligente permite a adição sucessiva de energia potencial elétrica e, portanto, maiores energias de partículas são possíveis do que em um Van de Graaff. Lawrence esteve envolvido em muitas descobertas iniciais e na promoção de programas de física em universidades americanas. Ele recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1939 pelas ativações cíclotron e nucleares, e tem um elemento e dois grandes laboratórios nomeados em sua homenagem.

    A imagem mostra um ciclotron em forma de disco que consiste em duas placas semicirculares horizontais separadas por uma lacuna. Uma tensão alternada é colocada na lacuna e um campo elétrico é mostrado indo da placa semicircular esquerda através da abertura até a placa semicircular direita. Um campo magnético perfura as placas de cima para baixo. Uma linha pontilhada chamada feixe externo espirala para fora do centro do cíclotron, fazendo quatro rotações dentro das placas semicirculares antes de atingir a borda externa do cíclotron.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Os ciclotrões usam um campo magnético para fazer com que as partículas se movam em órbitas circulares. À medida que as partículas passam entre as placas dos Ds, a tensão através da lacuna é oscilada para acelerá-las duas vezes em cada órbita.

    Um síncrotron é uma versão de um cíclotron em que a frequência da tensão alternada e a intensidade do campo magnético aumentam à medida que as partículas do feixe são aceleradas. As partículas são feitas para percorrer a mesma distância em um tempo menor com cada ciclo em órbitas de raio fixo. Um anel de ímãs e tubos aceleradores, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\), são os principais componentes dos síncrotrons. As tensões aceleradas são sincronizadas (ou seja, ocorrem ao mesmo tempo) com as partículas para acelerá-las, daí o nome. A intensidade do campo magnético é aumentada para manter o raio orbital constante à medida que a energia aumenta. Partículas de alta energia requerem campos magnéticos fortes para orientá-las, então ímãs supercondutores são comumente empregados. Ainda limitados pelas intensidades de campo magnético alcançáveis, os síncrotrons precisam ser muito grandes com energias muito altas, já que o raio da órbita de uma partícula de alta energia é muito grande. A radiação causada por um campo magnético que acelera uma partícula carregada perpendicularmente à sua velocidade é chamada de radiação síncrotron em homenagem à sua importância nessas máquinas. A radiação síncrotron tem um espectro e uma polarização característicos e pode ser reconhecida em raios cósmicos, o que implica campos magnéticos de grande escala atuando sobre partículas energéticas e carregadas no espaço profundo. A radiação síncrotron produzida por aceleradores às vezes é usada como fonte de intensa radiação eletromagnética energética para fins de pesquisa.

    Behemoths modernos e feixes em colisão

    Os físicos construíram máquinas cada vez maiores, primeiro para reduzir o comprimento de onda da sonda e obter mais detalhes, depois para colocar mais energia nas colisões para criar novas partículas. Cada grande aumento de energia trouxe novas informações, às vezes produzindo um progresso espetacular, motivando a próxima etapa. Uma grande inovação foi impulsionada pelo desejo de criar mais partículas massivas. Como o momento precisa ser conservado em uma colisão, as partículas criadas por um feixe atingindo um alvo estacionário devem recuar. Isso significa que parte da entrada de energia vai para a energia cinética de recuo, limitando significativamente a fração da energia do feixe que pode ser convertida em novas partículas. Uma solução para esse problema é ter colisões frontais entre partículas se movendo em direções opostas. Os feixes de colisão são feitos para se encontrarem frontalmente em pontos onde detectores massivos estão localizados. Como o momento total de entrada é zero, é possível criar partículas com momentos e energias cinéticas próximos de zero. Assim, partículas com massas equivalentes ao dobro da energia do feixe podem ser criadas. Outra inovação é criar a contraparte antimatéria da partícula de feixe, que, portanto, tem a carga oposta e circula na direção oposta no mesmo tubo de feixe. Para obter uma representação esquemática, consulte a Figura\(\PageIndex{3}\).

    A primeira imagem mostra um anel circular composto por cerca de trinta tubos azuis cujos diâmetros são muito menores que o diâmetro do anel. Os tubos são dispostos de ponta a ponta, de modo que uma linha unindo seus eixos forma o anel. A segunda imagem mostra uma visão aproximada de três tubos consecutivos, que chamaremos de tubos um, dois e três. O tubo um é rotulado como mais, o tubo dois é rotulado como menos e o tubo três é rotulado como mais. Uma seta chamada E aponta do tubo um para o tubo dois, e entre esses dois tubos há uma esfera chamada p plus. A terceira imagem é igual à segunda, exceto que os tubos um, dois e três são rotulados com menos, mais, menos, respectivamente. Além disso, a seta rotulada E entre os tubos um e dois tem direção invertida, e uma segunda seta chamada E agora aparece apontando do tubo dois para o tubo três. Entre os tubos dois e três aparece a esfera rotulada p plus.
    Figura\(\PageIndex{3}\): (a) Um síncrotron tem um anel de ímãs e tubos aceleradores. A frequência das tensões de aceleração é aumentada para fazer com que as partículas do feixe percorram a mesma distância em menos tempo. O campo magnético também deve ser aumentado para manter cada explosão de feixe viajando em um caminho de raio fixo. Os limites da intensidade do campo magnético exigem que essas máquinas sejam muito grandes para acelerar as partículas a energias muito altas. (b) Uma partícula positiva é mostrada no espaço entre os tubos de aceleração. (c) Enquanto a partícula passa pelo tubo, os potenciais são invertidos para que haja outra aceleração na próxima lacuna. A frequência das reversões precisa ser variada à medida que a partícula é acelerada para alcançar acelerações sucessivas em cada lacuna.

    Detectores capazes de encontrar as novas partículas no spray de material que emerge de feixes de colisão são tão impressionantes quanto os aceleradores. Enquanto o Fermilab Tevatron tinha energias de feixe de prótons e antiprótons de cerca de 1 TeV, de modo que ele pode criar partículas de até 2\(TeV/c^2\), o Large Hadron Collider (LHC) do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) alcançou energias de feixe de 3,5 TeV, de modo que tem uma energia de colisão de 7 TeV; o CERN espera dobrar a energia do feixe em 2014. O Superconductor Super Collider, agora cancelado, estava sendo construído no Texas com uma energia projetada de 20 TeV para fornecer uma energia de colisão de 40 TeV. Era para ser um oval de 30 km de diâmetro. Seu custo, bem como a política de financiamento internacional da pesquisa, levaram ao seu fim.

    No lado esquerdo da imagem há um par de anéis horizontais de diâmetro igual, com uma fonte de prótons rotulada e a outra fonte anti-próton rotulada. Os anéis parecem feitos de uma mangueira; ou seja, sua seção transversal é circular e parecem vazios. No anel da fonte de prótons, aparecem setas azuis indicando movimento no sentido anti-horário dentro da mangueira. No anel antifonte de prótons, setas vermelhas aparecem indicando movimento no sentido horário dentro da mangueira. Uma seção da mangueira sai tangencialmente de cada anel para unir tangencialmente outro anel maior à direita, que é rotulado como anel principal. As setas azuis e vermelhas aparecem no anel principal, indicando movimento simultâneo no sentido horário e anti-horário. Do anel principal, duas seções da mangueira tangencial saem para unir um anel de tamanho semelhante situado abaixo do anel principal e que é rotulado como anel de tevatron. No anel de tevatron, as setas azuis giram até a metade no sentido horário e as setas vermelhas vão até a metade no sentido anti-horário. Eles se encontram em um cubo chamado detector de colisão e que tem um ícone amarelo de starburst nele.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Este esquema mostra os dois anéis do acelerador do Fermilab e o esquema para a colisão de prótons e antiprótons (sem escala).

    Além dos grandes síncrotrons que produzem feixes colidentes de prótons e antiprótons, existem outros grandes aceleradores de elétrons e pósitrons. O mais antigo deles era um acelerador linear ou linear, chamado Stanford Linear Accelerator (SLAC), que acelerava partículas de até 50 GeV, conforme visto na Figura. Os pósitrons criados pelo acelerador foram levados à mesma energia e colidiram com elétrons em detectores especialmente projetados. Os aceleradores lineares usam tubos aceleradores semelhantes aos dos síncrotrons, mas alinhados em linha reta. Isso ajuda a eliminar as perdas de radiação síncrotron, que são particularmente graves para elétrons feitos para seguir caminhos curvos. O CERN tinha um colisor de elétron-pósitron apropriadamente chamado de Large Electron-Positron Collider (LEP), que acelerou as partículas a 100 GeV e criou uma energia de colisão de 200 GeV. Tinha 8,5 km de diâmetro, enquanto a máquina SLAC tinha 3,2 km de comprimento.

    O esquema mostra um acelerador linear de cerca de três quilômetros de comprimento com ímãs ao longo de seu caminho. Elétrons e pósitrons provenientes de diferentes fontes são acelerados pelo acelerador linear e, em seguida, são desviados por ímãs para a direita e para a esquerda, respectivamente, para seguir caminhos que circulam e se encontram de frente em um grande dispositivo denominado detector de partículas Mark Two.
    Figura\(\PageIndex{5 }\): O acelerador linear de Stanford tinha 3,2 km de comprimento e tinha a capacidade de colidir feixes de elétrons e pósitrons. O SLAC também foi usado para sondar nucleons espalhando elétrons de comprimento de onda extremamente curto deles. Isso produziu a primeira evidência convincente de uma estrutura de quarks dentro de nucleons em um experimento análogo ao realizado por Rutherford há muito tempo.

    Exemplo\(\PageIndex{1}\):Calculating the Voltage Needed by the Accelerator Between Accelerating Tubes

    Um acelerador linear projetado para produzir um feixe de prótons de 800 MeV tem 2000 tubos de aceleração. Qual tensão média deve ser aplicada entre os tubos (como nas folgas na Figura) para obter a energia desejada?

    Estratégia

    A energia fornecida ao próton em cada espaço entre os tubos é\(PE_{elec}=qV\) onde\(q\) está a carga do próton e\(V\) é a diferença de potencial (tensão) na lacuna. Desde\(q=q_e=1.6×10^{−19}C\) e\(1 eV=(1 V)(1.6×10^{−19}C)\), o próton ganha 1 eV em energia para cada volt na lacuna pela qual passa. A tensão CA aplicada aos tubos é cronometrada para aumentar a energia em cada lacuna. A tensão efetiva é a soma das tensões de intervalo e é igual a 800 MV para dar a cada próton uma energia de 800 MeV.

    Solução

    Existem 2000 lacunas e a soma das tensões entre elas é de 800 MV; portanto,

    \(V_{gap}=\frac{800 MV}{2000}=400 kV\).

    Discussão

    Não é difícil obter uma voltagem dessa magnitude no vácuo. Tensões de folga muito maiores seriam necessárias para obter maior energia, como as da instalação SLAC de 50 GeV. Os síncrotrons são auxiliados pelo caminho circular das partículas aceleradas, que podem orbitar muitas vezes, multiplicando efetivamente o número de acelerações pelo número de órbitas. Isso possibilita alcançar energias maiores que 1 TeV.

    Resumo

    • Uma variedade de aceleradores de partículas tem sido usada para explorar a natureza das partículas subatômicas e testar previsões de teorias de partículas.
    • Os aceleradores modernos usados na física de partículas são grandes síncrotrons ou aceleradores lineares.
    • O uso de feixes de colisão disponibiliza uma energia muito maior para a criação de partículas, e as colisões entre matéria e antimatéria permitem uma maior variedade de produtos finais.

    Glossário

    feixes de colisão
    colisões frontais entre partículas que se movem em direções opostas
    cíclotron
    acelerador que usa campos elétricos alternados de frequência fixa e ímãs fixos para acelerar partículas em um caminho espiral circular
    acelerador linear
    acelerador que acelera partículas em linha reta
    síncrotron
    uma versão de um cíclotron na qual a frequência da tensão alternada e a intensidade do campo magnético aumentam à medida que as partículas do feixe são aceleradas
    radiação síncrotron
    radiação causada por um campo magnético acelerando uma partícula carregada perpendicular à sua velocidade
    Van de Graaff
    acelerador inicial: versão simples e em grande escala do canhão de elétrons