O que é um acelerador de partículas? - Médico - 2023

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No mundo da Física, existem dois mistérios incríveis que há anos tentamos resolver: como era o Universo momentos depois de seu nascimento e qual é a natureza fundamental da matéria. Quer dizer, O que havia logo após o Big Bang e do que são feitas as partículas subatômicas que constituem a matéria?

Nesse contexto, talvez nossa única esperança sejam os aceleradores de partículas. Conhecidos por todos, mas muito poucos entendidos, esses dispositivos não criam buracos negros nem podem destruir o mundo, mas permitem-nos responder às maiores questões existenciais do Universo.

Os colisores de partículas são capazes de acelerar os feixes de partículas a velocidades próximas às da luz para que colidam entre si, esperando que, como resultado da colisão, se decomponham em suas peças fundamentais que nos permitem responder às duas questões que levantamos .

Mas o que exatamente é um acelerador de partículas? Para que serve? Que partículas subatômicas ele estuda? O que acontece quando as partículas subatômicas colidem umas com as outras? No artigo de hoje, responderemos a essas e muitas outras perguntas sobre as máquinas mais ambiciosas criadas pela humanidade. Eles são uma amostra de até onde podemos ir para compreender a natureza do Cosmos.

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O que exatamente é um colisor de partículas?

Aceleradores ou aceleradores de partículas são dispositivos que aceleram as partículas a velocidades incrivelmente altas, perto da velocidade da luz, para que colidam umas com as outras esperando que eles se quebrem em suas partículas fundamentais como resultado da colisão.

A definição pode parecer direta, mas a ciência por trás dela parece algo do futuro. E isso é, como funciona um acelerador de partículas? Basicamente, seu funcionamento baseia-se na exposição de partículas eletricamente carregadas (o tipo dependerá do acelerador em questão) à influência de campos eletromagnéticos que, por meio de um circuito linear ou circular, permitem que esses feixes de partículas atinjam velocidades muito próximas. de luz, que é 300.000 km / s.

Como já dissemos, existe dois tipos principais de aceleradores de partículas: lineares e circulares. Um acelerador linear consiste numa sucessão de tubos com placas aos quais, colocados em linha, é aplicada uma corrente eléctrica de carga oposta à das partículas contidas nas referidas placas. Assim, saltando de prato em prato, a cada vez, devido à repulsão eletromagnética, atinge uma velocidade maior.

Mas, sem dúvida, as mais famosas são as circulares. Os aceleradores de partículas circulares usam não apenas propriedades elétricas, mas também magnéticas. Esses dispositivos de modelagem circular permitem maior potência e, portanto, aceleração mais rápida em menos tempo do que os lineares.

No mundo, existem dezenas de diferentes aceleradores de partículas. Mas obviamente o mais famoso é o Grande Colisor de Hádrons. Localizado na fronteira entre a França e a Suíça, próximo à cidade de Genebra, o LHC (Grande Colisor de Hádrons) é um dos 9 aceleradores de partículas do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN).

E a partir desse acelerador, inaugurado em outubro de 2008, vamos entender o que é exatamente um colisor de partículas. O LHC é a maior estrutura construída pela humanidade. É um acelerador circular que, estando enterrado 100 metros abaixo da superfície, tem uma circunferência de 27 km de comprimento. Como podemos ver, é algo imenso. E muito caro. O Grande Colisor de Hádrons custou, tanto sua fabricação quanto sua manutenção, cerca de 6.000 milhões de dólares.

O LHC é um acelerador de partículas que contém 9.300 ímãs em seu interior, capazes de gerar campos magnéticos 100.000 vezes mais fortes que a força gravitacional da Terra. E esses ímãs, para funcionarem, precisam estar incrivelmente frios. Por isso, é o maior e mais potente "refrigerador" do mundo. Devemos garantir que dentro do acelerador, as temperaturas estão em torno de -271,3 ºC, muito próximas do zero absoluto, que é -273,15 ºC.

Uma vez que isso seja alcançado, os campos eletromagnéticos são capazes de acelerar as partículas a velocidades incrivelmente altas. É o circuito onde são alcançadas as velocidades mais altas do mundo. Feixes de partículas percorrem a circunferência do LHC a uma velocidade de 99,99999991% da luz. Eles estão viajando quase 300.000 km por segundo. Por dentro, as partículas estão próximas do limite de velocidade do Universo.

Mas para que essas partículas sejam aceleradas e colidam umas com as outras sem interferência, um vácuo deve ser alcançado dentro do acelerador. Não pode haver nenhuma outra molécula dentro do circuito. Por isso, o LHC conseguiu criar um circuito com um vácuo artificial menor do que o espaço entre os planetas. Este acelerador de partículas é mais vazio do que o próprio vácuo espacial.

Em resumo, um acelerador de partículas como o Large Hadron Collider é uma máquina na qual, graças à aplicação de campos eletromagnéticos, conseguimos acelerar as partículas a velocidades 99,99999991% da luz para que colidam entre si, esperando que eles se decomponham em seus elementos fundamentais. Mas, para isso, o acelerador deve ser incrivelmente grande, mais vazio que o espaço interplanetário, quase tão frio quanto a temperatura zero absoluta e com milhares de ímãs que permitem essa aceleração de partículas.

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Mundo quântico, partículas subatômicas e aceleradores

Vamos nos colocar em contexto. Partículas subatômicas são o nível mais baixo de organização da matéria (pelo menos, até que a Teoria das Cordas seja confirmada) e podemos defini-los como todas aquelas unidades aparentemente (e agora vamos entender porque dizemos isso) unidades indivisíveis que constituem os átomos dos elementos ou que são encontradas livremente permitindo que esses átomos interajam entre sim.

Estamos falando de coisas muito, muito pequenas. As partículas subatômicas têm um tamanho aproximado, pois existem enormes diferenças entre elas, de 0,000000000000000000001 metros. É tão minúsculo que nosso cérebro nem é capaz de imaginá-lo.

Na verdade, as partículas subatômicas são tão minúsculas que não apenas não podemos imaginá-las, mas as leis físicas não são cumpridas nelas. Partículas subatômicas constituem seu próprio mundo. Um mundo que não está sujeito às leis da relatividade geral que determinam a natureza do macroscópico (do nível do átomo ao galáctico), mas sim segue suas próprias regras de jogo: as da física quântica.

O mundo quântico é muito estranho. Sem ir mais longe, a mesma partícula pode estar em dois lugares ao mesmo tempo. Não é que existam duas partículas iguais em dois lugares. Não. Uma única partícula subatômica pode existir em dois lugares diferentes ao mesmo tempo. Não faz nenhum sentido do nosso ponto de vista. Mas sim no mundo quântico.

Seja como for, existem pelo menos três partículas subatômicas com as quais estamos familiarizados: prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons são partículas que compõem o núcleo do átomo, ao redor do qual os elétrons orbitam (embora o modelo atômico atual sugira que isso não seja exatamente verdade, mas é o suficiente para que possamos entendê-lo).

Agora, essas são as únicas partículas subatômicas que existem? Não. Não muito menos. Os elétrons são partículas subatômicas elementares, o que significa que não são formados pela união de outras partículas subatômicas. Mas prótons e nêutrons são partículas subatômicas compostas, ou seja, o resultado da união de partículas subatômicas elementares.

Digamos que as partículas subatômicas compostas sejam feitas de outras partículas subatômicas mais simples. Algumas partículas que guardam o segredo da natureza da matéria e que estão aí, "escondidas" dentro dos átomos. O problema é que eles vêm de uma idade muito avançada do Universo. E, por si só, eles se desintegram em alguns momentos. Partículas subatômicas elementares são muito instáveis. E só podemos obtê-los e medi-los com esses aceleradores.

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Então, para que servem os aceleradores de partículas?

Agora já entendemos um pouco (para entender mais, precisaríamos ter um diploma em física quântica) o que é um acelerador de partículas. E estamos constantemente dizendo que seu objetivo final é colidir partículas umas com as outras. Mas, Por que os fazemos colidir? O que acontece quando eles colidem? Para que serve um acelerador?

Vamos nos concentrar nas partículas subatômicas compostas que discutimos. Estas são a nossa chave de acesso ao mundo quântico. Aqueles que, uma vez desintegrados em suas partículas elementares, nos permitirão compreender a natureza última do Universo e a origem de todas as interações fundamentais que ocorrem nele.

Conhecemos três partículas compostas subatômicas principais: prótons, nêutrons e hádrons.. Prótons e nêutrons são conhecidos por todos e, como já dissemos, eles estão ligados por meio da força nuclear forte, que é a "cola" que faz com que ambas as partículas formem o núcleo do átomo. Até agora, tudo muito típico.

Mas e quanto aos hadrões? Aí vem o interessante. Não é por acaso que a maior e mais cara máquina construída pela humanidade é um acelerador que faz com que os hádrons colidam uns com os outros. Hádrons são um tipo de partículas subatômicas compostas que contêm a resposta para os grandes mistérios do Universo.

Cuando hacemos colisionar partículas subatómicas compuestas a velocidades cercanas a las de la luz, la colisión es tan increíblemente energética que no solo es que, durante una ínfima porción de tiempo ya nivel cuántico, se alcancen temperaturas de 1 millón de millones de millones de °C , senão que Essas partículas subatômicas aparentemente indivisíveis são "quebradas" em suas partículas subatômicas fundamentais.

Dizemos "quebrar" porque não se rompem no sentido estrito da palavra, mas sim outras partículas subatômicas elementares surgem da colisão que, apesar de ser muito instáveis e se desintegrarem em pouco tempo, podemos medir.

Estamos falando de partículas subatômicas incrivelmente pequenas que "se escondem" dentro de prótons, nêutrons e hádrons. E nossa única maneira de descobrir e / ou confirmar sua existência é colidindo essas partículas compostas em colisores.

É graças a eles que descobrimos quarks (os constituintes dos prótons e nêutrons) nos anos 60, neutrinos, bósons, o bóson de Higgs (a partícula que dá massa às outras partículas) em 2012, píons, kaons, hiperons ... Descobrimos dezenas de partículas, mas poderíamos ter centenas para descobrir. Quanto mais partículas detectamos, mais misterioso se torna o Universo e mais questões surgem. Mas, sem dúvida, esses aceleradores são nossa única ferramenta para decifrar a origem de tudo. Saiba de onde viemos e do que somos feitos. Não há ambição maior no mundo da ciência.

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