Acelerador de partículas é uma máquina capaz de acelerar prótons, elétrons ou átomos carregados, confinando-os em feixes estreitos, com velocidades próximas da velocidade da luz, por meio da aplicação de intensos campos elétricos e magnéticos. Os aceleradores de partículas são usados para investigação científica e, também, para a produção de radiação síncroton.
Veja também: Radiação ionizante – o que é, quais os riscos, para que serve
Como funciona um acelerador de partículas?
Os aceleradores de partículas usam campos elétricos para aumentar a velocidade de partículas como prótons e elétrons por meio de uma grande diferença de potencial. A trajetória dessas partículas é controlada por um intenso campo magnético externo, responsável por focalizar o feixe de partículas, deixando-o cada vez mais estreito.
A energia cinética das partículas que se movem dentro dos aceleradores é medida em uma unidade pouco convencional, o elétron-volt (eV). Essa unidade equivale à quanta energia é armazenada em elétron quando submetido a um potencial elétrico de 1 V. Um elétron-volt equivale a acerca de 1,6.10-19 J, e, nos aceleradores de partículas modernos, é possível atingir colisões entre partículas cuja energia é próxima de 7 TeV (7.1012 eV). Para que tamanha quantidade de energia seja atingida, prótons e elétrons são acelerados a mais de 99% da velocidade da luz.
Os mais simples aceleradores de partículas são o gerador de Van der Graaf e o tubo de raios catódicos (usado nas televisões CRT, também conhecidas como TVs de tubo), ambos aceleradores lineares e eletrostáticos. Lineares por que fazem com que as cargas elétricas ganhem velocidade ao longo de uma trajetória retilínea, e eletrostáticos por operarem com campos elétricos constantes, ou seja, que não variam com o tempo.
Os aceleradores de partículas modernos apresentam aceleradores lineares e circulares. Um exemplo dos aceleradores modernos é o LHC (Large Hadron Collider). No LHC, os prótons são injetados em um acelerador linear, em seguida, esse feixe de prótons é direcionado a uma sequência de anéis. Nesses anéis o feixe de prótons é cada vez mais colimado por campos magnéticos e acelerado por campos elétricos dinâmicos.
Para que serve um acelerador de partículas?
Os aceleradores de partículas têm muitas utilidades, a mais comum delas é aquela em que se busca “visualizar” subpartículas extremamente energéticas, como os quarks e os bósons de Higgs. Essas partículas só podem ser observadas por instantes muito breves, quando dois átomos que se movem em velocidades muito próximas da velocidade da luz colidem-se frontalmente.
Os aceleradores de partículas também servem para produzir radiação síncroton. A radiação síncroton é o nome que se dá às ondas eletromagnéticas emitidas pelas partículas que se movem no anel circular de um acelerador de partículas. A radiação é emitida por partículas aceleradas, desse modo, alguns aceleradores de partículas conseguem produzir diferentes “linhas de luz” — raios x, raios gama e quaisquer frequências desejadas. Essas radiações são utilizadas para os mais diversos fins: análise estrutural de materiais, tratamentos oncológicos, exames de imagem etc.
Veja também: Conheça as subpartículas que dão origem aos prótons e nêutrons
Onde ficam os aceleradores de partículas?
A maior parte dos aceleradores de partículas está nas universidades e centros de pesquisa espalhados pelo mundo. Atualmente existem cerca de 30 mil aceleradores de partículas em operação.
Aceleradores de partículas no Brasil
O Brasil possui grandes aceleradores de partículas no Laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS), entre eles se destaca o Sirius, uma das mais modernas fontes de luz síncroton de 4ª geração do Brasil e do mundo. O novo acelerador de partículas está sendo implementado e atenderá diversos propósitos, como pesquisas acadêmicas relacionadas à energia, ao meio ambiente, à defesa, às indústrias, à saúde etc.
O acelerador Sirius será capaz de produzir linhas de luz bilhões de vezes mais intensas que as produzidas pelo UVX, inaugurado em 1997 e encerrado em 2019. Dessa maneira, novas pesquisas poderão ser realizadas, impulsionando o desenvolvimento da ciência nacional.
Por Rafael Helerbrock
Professor de Física