Como funciona um acelerador de partículas?
Um acelerador de partículas é um dispositivo de física que usa campos elétricos para acelerar partículas carregadas a imensas velocidades, às vezes frações significativas da velocidade da luz. Partículas comuns que podem ser encontradas dentro de aceleradores de partículas incluem prótons e elétrons, os blocos de construção do átomo.
Um acelerador de partículas é usado para observar o comportamento de pequenas partículas em altas velocidades e energias, bem como para fins mais cotidianos, como gerar um tipo específico de radiação eletromagnética. Os aceleradores de partículas são frequentemente usados para esmagar partículas umas contra as outras em velocidades muito altas, revelando seus componentes mais fundamentais. O gerador de raios-x e o aparelho de televisão são exemplos comuns de aceleradores de partículas, com o mesmo design básico que seus primos maiores usados em experimentos de física de alta energia. Um acelerador de partículas se enquadra em uma de duas categorias: circular ou linear.
Em um acelerador de partículas circular, as partículas são aceleradas em um caminho circular contínuo. A vantagem desse arranjo é que a partícula pode ser direcionada em círculo muitas vezes, economizando hardware. A desvantagem é que as partículas nos aceleradores circulares emitem radiação eletromagnética, chamada radiação síncrotron. Como o momento deles os incentiva constantemente a seguir uma trajetória tangencial ao círculo, a energia deve ser gasta continuamente para mantê-los no caminho circular, o que significa que os aceleradores de partículas circulares são menos eficientes. Em grandes aceleradores, a radiação síncrotron é tão intensa que todo o acelerador deve ser enterrado no subsolo para manter os padrões de segurança. O acelerador de partículas Fermilab, em Illinois, possui um caminho circular de 6,43 km.
Aceleradores lineares disparam partículas em linha reta em um alvo fixo. O tubo de raios catódicos da sua televisão é um acelerador de partículas de baixa energia, que dispara fótons na faixa de luz visível em uma placa de vidro, a tela. O fluxo de fótons é constantemente redirecionado para preencher a tela com pixels. Esse redirecionamento ocorre com rapidez suficiente para percebermos o fluxo alternado de fótons como uma imagem contínua.
Aceleradores lineares de alta energia, ou linacs , são usados em aplicações físicas. Alternativamente, uma série de placas atrai e repele as partículas carregadas que se movem através delas, puxando as partículas para frente quando elas ainda não passaram por ela e empurrando-as para longe depois que elas passam. Dessa maneira, campos elétricos alternados podem ser usados para acelerar fluxos de partículas a velocidades e energias muito altas. Os físicos usam esses aceleradores para simular condições exóticas, como as que estão no centro das estrelas ou perto do começo do universo. O "zoológico de partículas" descrito pelo Modelo Padrão da física de partículas foi descoberto de forma incremental em experimentos com aceleradores de partículas. O maior acelerador linear de partículas é o Acelerador Linear de Stanford, com um comprimento de 3,2 km.