Simulador da gênesis do Universo: Acelerador de Partículas

O aparelho capaz de observar sub-partículas como os quarks e os bósons de Higgs

Ao perguntar a qualquer indivíduo se já viu o clássico símbolo da Química, a primeira imagem que aparece em sua mente é a seguinte:

E não é à toa que essa seja a inesquecível representação de uma das áreas mais importantes para o desenvolvimento da ciência com o passar do tempo. O conhecimento da organização de um átomo em um núcleo feito de prótons e nêutrons rodeado de uma nuvem de elétrons negativamente eletrizados é graças ao cientista Ernest Rutherford - o qual, em 1911, fez o primeiro acelerador de partículas da história.

Por mais que o nome desse tal aparelho dê a impressão de que se trata de algo complexo, o experimento de Rutherford é, na verdade, um dos mais estudados na escola e provavelmente você, leitor, já deve tê-lo visto. Usando uma fonte radioativa para liberar partículas alfa em direção a uma folha de ouro e uma chapa de sulfeto de zinco para observar as suas trajetórias que teoricamente atravessariam essa fina camada, houve a descoberta de que algumas dessas partículas eram refletidas e esbarravam nos pequenos componentes dentro dos átomos de ouro.

Considerando que somente com cargas elétricas iguais haveria essa repulsão, foi concluído que teriam partículas menores compondo a estrutura do átomo, as quais teriam cargas elétricas opostas, além da neutralizada, uma vez que algumas passariam pela folha ao se encontrarem com uma partícula de carga oposta dentro da camada, enquanto outras repeliriam-se ao se defrontarem com uma partícula de mesmo sinal. Assim, essa descoberta possibilitou um primeiro entendimento do Universo Quântico - isto é, um mundo onde as grandezas físicas assumem valores mínimos e os eventos são incapazes de serem observados a olho humano.

Estrutura do Acelerador de Partículas de Rutherford

A dinâmica de um acelerador de partículas é relativamente simples: enquanto um campo elétrico torna-se responsável por acelerá-las, o campo magnético possui a função de deixá-las na trajetória correta. A estrutura do sistema é composta de um tubo de vácuo, ou seja, um dispositivo que controla a eletricidade dos prótons e elétrons. No início dela, há uma fonte geradora de íons por meio de descargas elétricas altíssimas. Normalmente, ioniza-se átomos de hidrogênio, uma vez que geralmente há apenas um próton, um nêutron e um elétron.

Esses íons passam por placas compostas de cargas positivas ou negativas e que possuem buracos para que eles possam se mover continuamente. Quando um íon de carga positiva aproxima-se de uma placa, ela obrigatoriamente terá que ser negativa, já que sinais opostos se atraem. A próxima placa haveria de ser positiva, contudo quando a carga chega mais próxima a ela, ela troca o seu sinal, atraindo-a portanto e fazendo com que haja um movimento ininterrupto. Além disso, com a mudança de sinal, a placa que era negativa passa a ser positiva a fim de repelir a carga que está indo em direção à placa seguinte e acelerar o processo.

Exemplificação do processo de aceleração das cargas ao passarem por placas eletrizadas positivamente ou negativamente.

Quanto mais cargas existem em uma placa, maior é a força de atração dela com o íon, logo é favorável ao sistema que se tenha o máximo possível de cargas nas placas. Todavia, há que tomar cuidado para que não se cause uma descarga elétrica por passar o limite da quantidade de cargas nelas.

Por mais abstrata que seja a ideia de haver íons circulando entre placas, esse processo ocorre em vários aparelhos utilizados pelo ser humano, como os aparelhos de radiografia e radioterapia do câncer, além do mais famoso deles - a televisão a cabo a qual dispunha de tubos de raios catódicos, ou seja, o mesmo que um feixe de elétrons, que é deflexionado por campos magnéticos e acelerado por campos elétricos a fim de formar uma imagem em uma tela coberta de fósforo.

Olhando de uma forma mais detalhada, temos primeiramente o cátodo (1), o qual se aquece ao passar por uma corrente elétrica, o que causa a emissão de elétrons. O revestimento condutivo (2) leva esse feixe de elétrons (5) até o ânodo (3), que é um polo positivo de bateria que atrai esses elétrons. A tendência dos elétrons é de se encaminhar ao centro da tela, por isso há bobinas de direcionamento, as quais criam os campos magnéticos que movem o feixe tanto na horizontal quanto na vertical. Com a diferença de potencial, esses campos podem variar, fazendo com que os elétrons sejam espalhados por toda a tela.

A pergunta que não quer calar é: Mas qual é o motivo de usarmos fósforo para revestir a tela? O que acontece é que quando esse material é exposto à luz, ele emite luz visível em uma cor específica. Como há três tipos de fósforo, há a emissão de três tipos de luz: a vermelha, a azul e a verde. Assim, para iluminar essas cores, também são emitidos três feixes de elétrons.

1- Cátodo; 2- Revestimento condutivo; 3- Ânodo; 4- Tela revestida de fósforo; 5- Feixe de elétrons; 6- Máscara de Sombra

Por fim, a Máscara de Sombra (6) trata-se de uma fina chapa de aço com vários furos colocados atrás da superfície frontal do tubo de imagem e é responsável por melhorar a exibição de imagens coloridas no CRT ("cathode ray tube", nome em inglês para tubos de raios catódicos, os quais foram criados em 1897 pelo físico alemão Karl Braun), uma vez que focaliza os feixes de elétrons.

Com o uso de três canhões dispostos em forma de um triângulo, os três feixes de elétrons passam por pontos de foco e, a fim de que eles se mantenham focados, há a convergência dinâmica. Caso não houvesse essa convergência, apareceria uma mancha de cores na borda de uma imagem pois ela teria sofrido a sobreposição das três cores.

Além do tubo de raios catódicos, há o gerador de Van der Graaf, o qual causa o efeito de arrepiar os cabelos de quem tocar na cúpula. Os dois são classificados como lineares e eletrostáticos, visto que eles aumentam a velocidade das cargas elétricas ao longo de uma trajetória retilínea e lidam com campos elétricos constantes respectivamente.

Os aceleradores que despertam interesse na maioria das pessoas, na verdade, não são nenhum dos citados anteriormente: são os chamados aceleradores cíclicos. O despertar do interesse deve-se à capacidade de eles causarem a colisão de partículas. O choque delas só é possível a partir de uma aceleração extrema, no momento em que os prótons e os elétrons estão com velocidade a mais de 99% da velocidade da luz (299 792 458 m/s). As partículas traçam uma trajetória curva devido ao campo magnético que as desvia a fim de controlar a trajetória da partícula.

O propósito de chocar as partículas absurdamente eletrizadas é visualizar sub-partículas como os quarks, os quais formam o núcleo atômico, e os bósons de Higgs, que atribuem massa a partículas como os próprios quarks e os elétrons. A importância de, em 1964, Peter Higgs e François Englert terem descoberto o bóson de Higgs é que devido à teoria relacionada ao bóson, físicos conseguiram entender como a força fraca e a força eletromagnética - que, na teoria de Higgs, seriam manifestações da força eletrofraca - funcionam.

Essa força eletrofraca supostamente deu origem às duas mencionadas quando houve o resfriamento do Universo, instantes após a grande expansão, que é intitulada como o Big Bang. Além disso, essa teoria trouxe um melhor entendimento da matéria escura - que afeta gravitacionalmente a matéria visível, como estrelas e galáxias, mas que não é capaz de absorver ou emitir radiação, uma vez que não interage eletromagneticamente. Segundo o Brasil Escola, atualmente cientistas presumem que 25% de toda a massa do Universo seja feita de matéria escura, logo é deveras importante que a compreendamos a fim de que o processo do Big Bang seja melhor explicado.

Em 2013, foi comprovada a existência do bóson de Higgs com a utilização do LHC, o Grande Colisor de Hádrons, que também é conhecido como "máquina do Big Bang", posto que simula condições similares às que existiam logo após a grande explosão, atingindo temperaturas na ordem de -271,9°C devido ao uso de 10 000 toneladas de nitrogênio líquido.

Identificação do Bóson de Higgs feita pelo experimento Atlas. Foto: Atlas Collaboration /Cern

Localizado na cidade de Genebra, na Suíça, ele é um dos projetos do CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear), que custou 10 bilhões de dólares e demorou 2 décadas para ser concluído. Com uma extensão de 26,7km, ele fica em uma região subterrânea, cerca de 100m abaixo do solo. O seu funcionamento é similar ao processo de aumento de velocidade de partículas nos aceleradores lineares e eletrostáticos vistos anteriormente, porém há algumas diferenças, como a utilização de prótons ou núcleos atômicos de íons de chumbo e a liberação de dois feixes, um em cada direção, para que haja a colisão atômica.

Visão panorâmica da localização do LHC

Diagrama do LHC

Na rota de colisão, as forças nucleares e elétricas são tão intensas que partículas inéditas podem ser originadas, inclusive aquelas que ainda não são conhecidas e que podem ser a composição da matéria escura.

Com o aumento da velocidade da partícula, os campos magnéticos, os quais direcionam os prótons e elétrons, precisam ser mais intensos, haja vista que essas partículas acabam ampliando a sua energia cinética, o que torna mais difícil a esses campos modificarem a rota das partículas.

Não só é possível realizar uma colisão com o lançamento de dois feixes em direções opostas, o que seria o alvo móvel, como também colidir em um alvo fixo, o qual se caracteriza por um feixe de partículas que, após receber uma enorme quantidade de energia por sua movimentação no acelerador, colide com um alvo imóvel.

Apesar de parecer até intuitivo que a colisão com um alvo móvel resultará em uma velocidade final maior do que a do alvo imóvel segundo os preceitos newtonianos, ou seja, quando dois objetos encaminham-se um ao outro e estão em direções opostas, a soma de suas velocidades será a velocidade da colisão, a relatividade restrita de Einstein explica que outros fatores devem ser levados em consideração.

De acordo com a teoria da relatividade restrita de Einstein, nenhum objeto com massa de repouso diferente de zero pode atingir a máxima velocidade no Universo, a qual seria a velocidade da luz. A razão de isso acontecer é que, ao acelerar elétrons, eles gastam mais energia cinética devido ao suposto aumento da massa, e não pelo aumento de velocidade. Usando a evidência matemática, temos que:

β= 1−1/γ2

Sendo β a velocidade da partícula e γ a energia da partícula em termos de sua energia de massa em inércia ("rest mass energy", em inglês). Por exemplo, a velocidade de 1 MeV - medida chamada de elétron-volt, que é igual à energia obtida por um elétron quando acelerado por 1 volt de diferença de potencial elétrico - é aproximadamente (∼) 86% da velocidade da luz ( c ), 10 MeV de um elétron corresponde a ∼99,8% de c e 50 GeV, a ∼99, 999999995%c.

Isso mostra que a velocidade de um elétron a poucos MeV (106 eV) é quase igual a sua velocidade a GeV (109 eV). Indubitavelmente, os elétrons aproximam-se de c facilmente, mas, na realidade, nunca conseguem alcançar a máxima velocidade do Universo, o que comprova o postulado de Einstein.

Além disso, as descobertas de Galileu, astrônomo do século XVI, não consideravam as distorções no espaço-tempo propostas por Einstein, as quais alteram completamente os cálculos de velocidade relativa. Mas, antes de falarmos de velocidade relativa, é importante explicar o que seria a distorção no espaço-tempo.

Considerando que um objeto esteja com velocidade nula, no caso a seguir, uma maçã, a sua atração gravitacional à Terra deve-se à componente do tempo - aliás, o tempo é uma das componentes que constituem o nosso Universo, além das componentes espaciais, que são altura, largura e comprimento. A maçã sempre está em movimento porque está em progresso na passagem do tempo, indo ao futuro.

A curvatura no espaço-tempo irá dobrar a trajetória da maçã entre uma velocidade temporal ao futuro e uma velocidade espacial até o chão. A maçã move-se em linha reta, porém a curvatura do espaço-tempo faz com que se rotacione a orientação dela, atraindo-a à Terra. Esse movimento torna-se um de contração e o grau dessa contração é constante, pois a curvatura só depende da massa da Terra.

A contração do movimento, na realidade, não é devido a geometria do espaço, mas sim pela aproximação das linhas retas, que dão essa impressão de contração. Portanto, a Terra, sendo um objeto de massa considerável, deforma o espaço-tempo, dando-o uma curvatura, que aparenta ser uma contração constante.

No exemplo da maçã, ela permanece na superfície da Terra, uma vez que, por ela não apresentar velocidade inicial - já que não há nenhuma força atuando nela -, ela move-se em direção a esse planeta devido à contração na rede do espaço-tempo (1).

Outrossim, temos que a Terra está acelerando constantemente para cima (2), porque está indo contra o movimento de contração da rede, logo se colocarmos um objeto com velocidade inicial - mas que não apresente força atuando sobre ele - que continua em uma linha reta no espaço-tempo, ele será atraído à Terra devido à contração na rede. É assim que a Lua orbita a Terra (3) e a Terra orbita o Sol (4).

Com todas essas descobertas de distorção do espaço-tempo, era de esperar que as concepções de velocidades também mudariam, já que a velocidade trata-se da razão entre o espaço e o tempo. Antes de se iniciar a explicação de velocidade relativa, lembremos que essa análise está sendo feita a fim de explicar o motivo de nada ultrapassar a velocidade da luz, incluindo o acelerador de partículas, apesar de esse aparelho ser o mais próximo do que a comunidade científica já chegou para simular um Universo instantes após o Big Bang.

Utilizaremos as equações de Lorentz, fundamentais ao estudo da Relatividade, e as substituiremos na equação da velocidade, que é a razão do espaço (sendo Δx) e do tempo.

Fazendo os cálculos devidos e usando a definição de limite (ferramenta do cálculo diferencial) à expressão da velocidade, temos que:

Para um referencial S

Analisando o que acontece com a expressão para a velocidade observada, quando a velocidade v de um referencial for pequena, teremos:

Quando os valores de velocidade relativa entre os referenciais são pequenos o suficiente para que os efeitos relativísticos sejam desprezados, a expressão para a velocidade medida de um objeto em diferentes referenciais aproxima-se da transformação clássica de Galileu.

De outra maneira, se o valor mais alto possível para a velocidade v - sendo, portanto, a velocidade da luz c - for utilizado, estaremos explorando o outro extremo para a solução de nossa equação.

Para altas velocidades, os efeitos relativísticos predominam e as transformações de Galileu levam a resultados cada vez mais imprecisos. No caso relativístico mais extremo, a velocidade medida por um observador num referencial S de um corpo que se move num referencial S' (que viaja cada vez mais próximo da velocidade da luz) tende para o próprio valor dessa velocidade. Isso mostra que as transformações de Lorentz para a velocidade obedecem o postulado de Einstein para a relatividade restrita que estabelece um limite para a máxima velocidade no Universo, a qual nenhum objeto com massa de repouso diferente de zero pode atingir, que é a velocidade da luz. Assim, é notadamente difícil fazer com que duas partículas choquem-se em um acelerador a fim de desconstruí-las e analisar suas sub-partículas como o Bóson de Higgs, uma vez que a colisão requer uma velocidade praticamente igual à da luz.

O objetivo atual da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN) é atingir uma quantidade de energia de 14 TeV para descobrir mais detalhes sobre o Bóson de Higgs. Contudo, há um empecilho para alcançar essa meta, uma vez que, segundo a teoria básica do eletromagnetismo, cargas aceleradas produzem radiação eletromagnética - conhecida como radiação síncrotron - e, portanto, perdem uma parte de sua energia cinética inicial.

Dessa forma, considerando um acelerador em órbita circular, há não somente uma perda da energia cinética devido ao suposto aumento da massa, como também um decrescimento devido à radiação síncrotron. Para 1 TeV de elétrons acumulados nesse aparelho, a energia perdida seria de 20 TeV. Dessa maneira, não é viável usar esse tipo de acelerador para atingir o propósito da CERN.

Por serem partículas elementares, elétrons e pósitrons conseguem utilizar apenas 1 TeV em sua colisão. Assim, é possível utilizar esse encontro de partículas para explorar as possibilidades de desenvolver um equipamento o qual proporcione 14 TeV, já que ele passará a funcionar para qualquer energia a partir do momento no qual a partícula for relativística, ou seja, que ela se mover a uma velocidade comparável à da luz. Além disso, a partícula não deve sofrer problemas de radiação síncrotron para que o processo seja efetivo.

Em 1995, um experimento realizado em Stanford baseou-se na análise de um acelerador dielétrico no vácuo que utiliza feixes de laser para produzir um campo elétrico longitudinal que é adequado para a aceleração de partículas. Previu-se que a estrutura sustentasse 1 GeV, já que ela tomaria vantagem do alto limite de dano dos materiais dielétricos dentro dos lasers pequenos e próximos ao infravermelho. Um quilômetro dessa estrutura poderia proporcionar 1 TeV e entrar facilmente em um colisor de alta energia. Dessa forma, o projeto Laser-Electron Accelerator Project (LEAP) consistiria em acelerar os elétrons com uma única interação com um feixe de laser polarizado linearmente no vácuo.

Diagrama esquemático do acelerador, junto ao espectrômetro de energia e uma imagem real do feixe de elétron observado.

Tendo em vista a interação dos elétrons com o campo de laser, a velocidade desse campo no vácuo é maior que o feixe relativístico do elétron, logo só há como não ter transferência de energia caso a distância de interação entre o laser e o elétron seja finita - isso é conhecido como o Teorema de Lawson-Woodward. A fim de limitar a distância de interação em um local no qual o feixe de elétrons continuasse em fase com o feixe de laser, colocou-se primeiramente um acelerador com paredes refletoras que atuavam como uma barreira para o campo de laser.

A primeira estrutura proposta a qual consistia em um acelerador composto por um cruzamento de feixes de lasers.

Um elétron individual na duração de 2ps apresenta uma fase aleatória para o campo óptico e, por conseguinte, possui uma probabilidade igual de experienciar um campo de laser o qual o acelera ou o desacelera. Por isso, um conjunto de elétrons tem sua energia aumentada. Devido ao uso de uma barreira fina e de uma fita de kapton revestida de ouro, houve uma tolerância maior aos feixes de elétrons e de laser, o que fez com que se pudesse exceder o limite de dano. Com o movimento contínuo da fita, foi possível aplicar toda a potência do laser para encontrar a aceleração do campo elétrico tanto almejada.

Acima da fita, foi colocado um aparelho de alinhamento das condições entre o feixe de laser e o de elétron. Esse aparelho mostrou um forte sinal de modulação que indiciou aos pesquisadores a incerteza de sobreposição do tempo e, após achar o tempo correto entre o laser e o elétron, foi possível observar uma modulação na energia induzida pelo laser do próprio feixe de elétrons devido à aceleração linear do laser no vácuo.

Estrutura a qual teve êxito na realização do experimento. Mostra-se a interação dos feixes de laser e de elétron na fita de kapton que se move lentamente no equipamento.

Pesquisas como essa e análises como as realizadas no LHC (Large Hadron Collider) demonstram que aceleradores de partículas compostos por feixes de laser são uma inovação científica e tecnológica capaz de chegar a um dos maiores objetivos da Física Quântica: descobrir a composição de uma das partículas primordiais, se não a primordial, do Universo - o bóson de Higgs -, além de identificar partículas nunca vistas antes, as quais poderiam constituir a matéria escura. Assim, conheceremos um pouco mais sobre a origem do Universo, o que talvez responda algumas de nossas perguntas em meio a crises existenciais; porém até lá, temos uma grande missão: compreender a complexidade do espaço-tempo e tudo que está dentro dele.

FONTES E REFERÊNCIAS:

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