Os 3 tipos de aceleradores de partículas (e suas características) - Médico - 2023

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Desvende os mistérios sobre a natureza mais fundamental, primitiva e elementar do Universo foi, é e será uma das maiores ambições da história da ciência. E é que a Física busca responder a uma das maiores questões de todos os tempos: de que é feita a realidade?

Sabemos perfeitamente que o nível atômico não é o nível mais baixo de organização da matéria. Sabemos que existe algo além do átomo. O problema é que não sabemos o quê, porque os componentes deste nível inferior são tão incrivelmente pequenos que a luz não interage com eles e, portanto, não podemos "vê-los" diretamente.

As supostas partículas subatômicas (afinal, o modelo da física de partículas ainda é uma teoria) seriam entidades indivisíveis que, indo por liberdade ou juntando-se para constituir átomos, explicariam a natureza mais elementar do Universo de um ponto de vista. perspectiva quântica.

E neste contexto, nossa única forma de entrar neste mundo quântico que não segue nossas leis físicas são aqueles conhecidos como aceleradores de partículas, as mais incríveis máquinas construídas pelo homem que, em essência, nos permitem entrar no mundo subatômico e entender o que é a origem da realidade, além de ter aplicações interessantes no mundo da Medicina. E no artigo de hoje, além de entender o que são, veremos como estão classificados. Vamos lá.

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O que são aceleradores de partículas?

Aceleradores de partículas são dispositivos que podem acelerar partículas subatômicas a velocidades incrivelmente altas., perto da velocidade da luz, e conduzi-los por uma rota com o objetivo de que colidam uns com os outros, esperando que se decomponham em suas partículas mais elementares. Aqueles indivisíveis que são os mais fundamentais do Universo: o nível mais baixo de organização da matéria.

Esses aceleradores são máquinas que expõem partículas subatômicas eletricamente carregadas à influência de campos eletromagnéticos muito intensos que, por meio de um circuito que pode ser linear ou circular (o tipo de colisor em questão dependerá disso), fazem com que essas partículas cheguem a atingir 99,9999991% da velocidade da luz, que é 300.000 quilômetros por segundo.

Para atingir essa aceleração incrível e a colisão subsequente, engenheiros e físicos precisam evitar muitos obstáculos. Como mencionamos no início, são as máquinas mais ambiciosas da história da ciência e da humanidade. Mas em que se baseia o seu funcionamento?

Existem particularidades que dependem do tipo de acelerador e que comentaremos em profundidade mais tarde, mas existem alguns conceitos gerais. Os aceleradores de partículas contêm milhares de ímãs em seu interior que são capazes de gerar campos magnéticos 100.000 vezes mais fortes do que a força gravitacional da Terra.

Paralelamente, para permitir o funcionamento destes ímanes, as referidas estruturas devem estar frias. Muito frio. Incrivelmente frio. De fato, é necessário garantir que o interior do acelerador está a uma temperatura de cerca de -271,3 ºC, apenas dois graus acima do zero absoluto, que está a -273,15 ºC.

Uma vez que temos temperaturas frias o suficiente para fazer com que os imãs acelerem as partículas para perto do limite de velocidade do Universo, devemos garantir que, por dentro, não haja influência das moléculas. Em outras palavras, temos que atingir o vácuo absoluto dentro do acelerador.

Assim, os aceleradores de partículas possuem sistemas que permitem atingir, em seu interior, um vácuo artificial menor do que o encontrado no vácuo do espaço interplanetário. Assim que tudo isso for conseguido, as partículas subatômicas (o tipo vai depender do acelerador em questão, mas o LHC, o mais famoso, faz colidir os hádrons) podem colidir entre si e, após o impacto, podemos medir os fenômenos que ocorrem ao mesmo tempo, espera para detectar a presença momentânea (as partículas elementares que constituem as partículas compostas subatômicas não podem "viver" por si mesmas, por isso se desestabilizam após alguns milionésimos de segundo) das peças elementares do Universo.

Em suma, um acelerador de partículas é uma máquina que, graças à aplicação de campos magnéticos incrivelmente fortes em um ambiente de vácuo artificial quase absoluto e com um frio próximo à temperatura de zero absoluto, consegue acelerar as partículas a uma velocidade de 99,99999991% da luz para que, depois de percorrerem o circuito, colidam entre si, esperando que se decomponham nas suas partículas mais elementares e possamos detectar a sua presença para compreender a natureza mais fundamental e indivisível do Cosmos.

Para saber mais: "O que é um acelerador de partículas?"

Como os aceleradores de partículas são classificados?

Como você pode imaginar, compreender a natureza e a operação exatas dos aceleradores de partículas está ao alcance de muito poucas mentes privilegiadas. Mesmo assim, tentaremos apresentar os diferentes tipos de aceleradores de partículas, oferecendo suas características, propriedades e usos mais importantes. Como apresentamos antes, Existem três tipos principais de aceleradores de partículas: síncrotrons, ciclotrons e lineares. Vamos ver suas peculiaridades.

1. Síncrotron

Se existe um acelerador de partículas conhecido por todos, é o Large Hadron Collider, também conhecido como LHC, que é o maior colisor de partículas e está localizado perto de Genebra. Bem, o LHC é um síncrotron. Vamos ficar com isso.

Mas o que são síncrotrons? Os sincrotrons são um tipo de acelerador de partículas de alta energia. Na verdade, dos três, este é o tipo em que as energias mais elevadas são alcançadas. Os sincrotrons, como os ciclotrons, têm uma conformação circular. Ou seja, as partículas são conduzidas por um circuito em forma de anel e, portanto, o caminho é fechado (o Grande Colisor de Hádrons tem circunferência de 27 km). Eles são projetados para analisar os "blocos" que constituem a realidade.

Embora algumas variedades de síncrotrons possam incluir seções lineares entre as curvas do anel, é suficiente entender que eles são dispositivos circulares. Assim que as partículas entram no acelerador (por meio de uma estrutura interligada), elas começam a ser aceleradas dentro do circuito em forma de anel, circulando continuamente.

Os ímãs (o Grande Colisor de Hádrons tem 9.300 ímãs) começam a acelerar "lentamente" as partículas subatômicas. As chamadas cavidades de radiofrequência são regiões dentro do acelerador que aceleram (perdoe a redundância) as partículas em intervalos.

As partículas precisam de aproximadamente 20 minutos para atingir a energia necessária (a velocidade 99,99999991% da luz), um tempo durante o qual eles podem completar cerca de 14 milhões de voltas no anel. Quando as partículas lançadas em direções opostas atingem o nível de energia adequado, os ímãs redirecionam os feixes de modo que os caminhos de ambos os grupos de partículas coincidam. Nesse momento, ocorre a colisão.

O Grande Colisor de Hádrons do CERN atinge cerca de 400 milhões de colisões por segundo, tornando esses síncrotrons os aceleradores de partículas mais úteis para a compreensão da natureza mais fundamental e elementar do Universo. O LHC colide hádrons (um tipo de partícula subatômica composta), mas os síncrotrons podem colidir com qualquer tipo de partícula, de prótons a núcleos de átomos radioativos. Os sincrotrons são os aceleradores de partículas circulares mais energéticos do mundo e, portanto, os dispositivos mais incríveis criados pela humanidade. Não têm aplicações médicas, mas sim físicas, pois nos mostram os blocos elementares da realidade..

2. Ciclotron

Os ciclotrons são os pais dos síncrotrons. Como os que vimos antes, os ciclotrons são aceleradores de partículas de formato circular. Ou seja, as partículas subatômicas viajam dentro de um circuito em forma de círculo. Mas o que o diferencia de um síncrotron? Várias coisas. Vamos passo a passo.

Em primeiro lugar, a aceleração não é dada por um circuito em forma de anel, mas suas entranhas consistem em uma série de espirais Por onde passam as partículas, que começam a ser aceleradas no núcleo dessa espiral. Eles não dão a volta no circuito, mas através das espirais (portanto, é circular mas aberto, não fechado como o síncrotron). E assim que chegam ao final da jornada, eles atingem uma superfície sensorial.

Em segundo lugar, enquanto os síncrotrons podem conter milhares de ímãs, um ciclotron contém apenas um. Isso os torna dispositivos muito menores. Mesmo assim, os eletrodos metálicos permitem que as partículas sejam aceleradas a velocidades não tão altas quanto a de um síncrotron, mas altas o suficiente para que, do impacto final, possamos obter diferentes partículas subatômicas elementares, como nêutrons ou múons.

Basta entender que os síncrotrons não são usados para fazer as partículas colidirem umas com as outras a velocidades próximas às da luz para que se decomponham nos blocos mais elementares do Universo, mas sim Suas aplicações estão mais destinadas ao mundo da Medicina, pois permitem a obtenção de isótopos que têm aplicações clínicas..

3. Acelerador linear

Aceleradores de partículas lineares, também conhecidos como LINACS (Linear Particle Accelerator), são um tipo de acelerador que, ao contrário dos dois anteriores, não tem forma circular em forma de anel ou espiral. Aceleradores lineares, como o nome sugere, Eles são dispositivos abertos no sentido de que têm uma conformação retilínea.

Consistem numa sucessão de tubos com placas aos quais, colocados em linha, é aplicada uma corrente eléctrica de carga oposta à das partículas contidas nas placas em questão. Dependendo de sua finalidade, esses aceleradores lineares podem ser mais longos ou mais curtos.

Por exemplo, ele SLAC National Accelerator Laboratory, um laboratório administrado pela Stanford University e localizado na Califórnia, possui um acelerador linear com mais de 3 km de comprimento. Mas os mais comuns, aqueles destinados à área médica, são de tamanho pequeno.

Seja como for, os aceleradores lineares têm a vantagem de que, enquanto os aceleradores circulares perdem energia na forma de radiação nas curvas, partículas mantêm melhor sua energia. Essas partículas começam com baixa energia em uma extremidade, mas são aceleradas graças à sucessão de ímãs e campos eletromagnéticos através do tubo.

Como os cíclotrons, os aceleradores lineares têm aplicações médicas, então, como vemos, o objetivo de desvendar a natureza fundamental do Universo está reservado para os síncrotrons. Esses aceleradores lineares, da mesma forma que os ciclotrons, possibilitam a obtenção de isótopos com interesse clínico, além de aqueles que aceleram os elétrons são uma terapia contra o câncer muito promissora, por ser capaz de fazer feixes de partículas energéticas afetarem as células cancerosas de uma maneira específica. Sem dúvida, aceleradores de partículas são dispositivos incríveis.