Os aceleradores de partículas foram inventados na década de 1920 como uma ferramenta para a investigação em física. Por fora, parecem grandes túneis, e podem ter vários quilómetros de extensão. Dentro deles, partículas como protões, eletrões, positrões, anti-protões e diferentes tipos de iões são acelerados a velocidades próximas das da luz, utilizando-se campos electromagnéticos para esse efeito. O único requisito para acelerar partículas é o de que estas tenham carga elétrica e vivam o tempo suficiente para poderem ainda ser úteis.
Os aceleradores de partículas são então equipamentos que fornecem energia a feixes de partículas subatómicas eletricamente carregadas. Todos os aceleradores de partículas possibilitam a concentração de alta energia em pequeno volume e em posições arbitradas e controladas de forma precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partículas existem nas televisões e geradores de raios-X, na produção de isótopos radioativos, na radioterapia do câncro, na radiografia de alta potência para uso industrial e na polimerização de plásticos.
O estudo das partículas elementares constituintes de núcleo atómico iniciou-se num pequeno acelerador desenvolvido em 1927 pelos físicos ingleses J. D. Cockcroft e E. T. S. Walton na Universidade de Cambridge, Inglaterra. Estes cientistas através do dispositivo conseguiram realizar a primeira reação nuclear induzida artificialmente ganhando assim o Prémio Nobel de física de 1951.
O acelerador de partículas é um instrumento essencialmente construído utilizando uma fonte de partículas carregadas expostas a campos elétricos que as aceleram. Após a aceleração passam em seguida por um campo magnético que as desvia de suas trajectórias focalizando-as e controlando as direções (deflectindo-as).
Todos os tipos de aceleradores de partículas, independentemente de seu grau de avanço tecnológico obedecem aos mesmos princípios básicos. Devido à disposição geométrica dos campos electromagnéticos responsáveis pela aceleração das partículas, basicamente são classificados em dois tipos: cíclicos e lineares.
Para que possam ocorrer às condições mais próximas do ideal, existe a necessidade de gerar vácuo de excelente qualidade na região de trânsito, evitando assim a dispersão destas partículas pelas moléculas de gases que porventura estejam na sua trajectória.
Estes são construídos para promover a trajectória curvada das partículas pela ação de campos magnéticos em espiral ou circulares.
Este tipo de acelerador força a partícula a passar diversas vezes pelos sistemas de aceleração. A energia final das partículas depende da amplitude da diferença de potencial aplicada e do número de voltas que estas dão no dispositivo.
Os tipos de aceleradores cíclicos mais utilizados são o ciclotrão e o síncrotrão.
O ciclotrão é um aparelho que se destina a acelerar partículas com carga elétrica, por forma a conseguir elevadas energias cinéticas, por forma a que estas colidam com outras a fim de estudar as partículas daí resultantes, para melhor compreender a estrutura da matéria.
O ciclotrão foi inventado por Ernest Lawrence (1902-1958) em 1929, e foi posto em operação pela primeira vez em 1932, na Universidade da Califórnia, em Berkeley, e acelera partículas carregadas, como núcleos de hidrogénio, protões, e núcleos de hidrogénio pesado, deuterões, até altas energias, de modo a poderem ser usados em experiências de desintegração atómicas. Ernest Lawrence recebeu, pelo seu trabalho, em 1939, o Prémio Nobel da Física.
O desenvolvimento dos sincrotrões foi necessário para melhorar as soluções de aceleração de partículas cujas trajetórias são de raios fixos. Estes, da mesma forma que os ciclotrões, aceleram as partículas eletricamente confinando-as em campos magnéticos. A diferença é que o síncrotrão utiliza o princípio da estabilidade de fase, mantendo desta forma o sincronismo entre o campo elétrico aplicado e a frequência de revolução da partícula.
Nos aceleradores lineares, as partículas são aceleradas para colidir com um alvo fixo, enquanto que nos circulares, normalmente elas irão colidir umas com as outras.
O Large Hadron Collider ou LHC (Grande Colisionador de Hadrões) é o maior acelerador de partículas do mundo construído até hoje, e está localizado no CERN.
O CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) é o Laboratório Europeu de Física de Partículas, situado perto de Genebra, Suiça. É o maior centro mundial de investigação do seu tipo, sendo financiado por vinte Estados Membros. Desde a sua fundação em 1954, tem sido um exemplo bem sucedido de colaboração internacional, juntando milhares de cientistas de várias nacionalidades. O objetivo do CERN é a investigação científica pura, sem objetivos militares:
De que é constituído o nosso Universo?
De onde vem a matéria?
Como é que as partículas elementares interagem?
Estas são algumas das perguntas para as quais os cientistas procuram respostas. O CERN desempenha também um papel fundamental no desenvolvimento de tecnologia de ponta, desde a ciência de materiais até à engenharia mecânica ou computação, ou aplicações na medicina.
O LHC entrou em funcionamento no dia 10 de Setembro de 2008 numa cerimónia de pompa e circunstância. Trata-se de um projeto faraónico em que participaram mais de 10 mil cientistas e engenheiros de 580 universidades e de cerca de 100 nacionalidades. É um anel circular, com 27 km de comprimento e cerca de 8,6 km de diâmetro, localizado a 100 metros abaixo da superfície, na fronteira da França com a Suíça. Tem como objetivo simular o big bang, mais propriamente os primeiros milésimos de segundo do Universo.
Ao contrário dos demais aceleradores de partículas, a colisão no LHC será entre protões (que pertencem a um tipo de partículas a que os físicos chamam hadrões) e não entre positrões e eletrões (como no LEP - Large Electron-Positron collider). O LEP foi desligado em 2000 e desmontado em 2001, para dar lugar, no mesmo túnel, a um novo acelerador, o LHC.
A construção e entrada em funcionamento do LHC têm gerado uma enorme polémica na Europa. Alguns cientistas acreditam que este equipamento pode provocar uma catástrofe de dimensões cósmicas, como um buraco negro que acabaria por destruir a Terra. Outros acusam o CERN de não ter realizado os estudos de impacto ambiental necessários. Apesar das alegações "catastróficas", físicos teóricos de notável reputação como Stephen Hawking e Lisa Randall afirmam que tais teorias são meramente absurdas, e que as experiências foram meticulosamente estudadas e estão sob controlo.
A 19 de Setembro de 2008 ocorreu um incidente no LHC que originou uma fuga de hélio no túnel. O hélio é utilizado para arrefecer os ímanes responsáveis pela aceleração das partículas. Em circunstâncias normais, os ímanes deveriam estar submetidos a uma temperatura negativa de - 271 ºC para poder gerar os poderosos campos magnéticos necessários à experiência. Esta fuga provocou um aquecimento de uma centena destes ímanes até 100 ºC.
Segundo um press release publicado pelo CERN, foram feitas investigações que apontaram como provável causa um defeito na ligação elétrica entre dois ímanes, o que causou uma falha mecânica. O funcionamento do LHC será interrompido, durante alguns meses.
Hoje em dia existem cerca de dez mil aceleradores de partículas espalhados pelo mundo, metade dos quais são utilizados em medicina e apenas alguns em investigação fundamental.
Em medicina, os aceleradores têm duas aplicações: imagiologia (diagnóstico por imagem do corpo - por exemplo, a PET (Positron Emission Tomography)) e terapia com radiofármacos. Estes são administrados no tratamento a doentes cancerosos. Como os radiofármacos têm um tempo de vida curto, são produzidos num local próximo do hospital onde irão ser usados, utilizando-se, para o efeito, um acelerador de partículas. Os aceleradores de protões têm a vantagem de depositar toda a sua energia no mesmo local.
Este aspeto torna a terapia de protões ideal para o tratamento de tumores que se situam perto de órgãos delicados, onde a precisão é vital.
Wikipédia - Acelerador de partículas
Parcialmente adaptado de um texto escrito por Miguel Ribeiro (esfhp).
Imagem figura 2 obtida em esfhp