O que é um acelerador de partículas?

29 abr 2019
Questionador questionado
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Em 2012, com a descoberta do bóson de Higgs no acelerador de partículas chamado LHC (Large Hadron Collider, ou “Grande Colisor de Hádrons”), na divisa da Suíça com a França, essas máquinas voltaram à mídia internacional e, consequentemente, a despertar a curiosidade do público. No Brasil, não foi diferente, como você pode ver nas notícias aqui, aqui e aqui. Além disso, tem sido noticiado também desde os últimos anos (como aqui e aqui) que nosso país está desenvolvendo um acelerador de partículas capaz de colocá-lo em destaque internacional: o chamado Sirius, pertencente ao Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), localizado em Campinas, São Paulo.

Mas você sabe que existem vários aceleradores de partículas aqui mesmo, no Brasil? Desde que iniciei a pós-graduação, participo de projetos de pesquisa em que realizamos experimentos em dois deles: o acelerador Van de Graaff, na PUC do Rio de Janeiro, e o acelerador UVX, no LNLS, em Campinas, São Paulo. Neste artigo, vou abordar algumas questões da curiosidade do público sobre o que são essas máquinas, como elas funcionam, as suas aplicações e também refletir sobre o investimento financeiro. Afinal, vale à pena?

O que faz

A ideia básica de um acelerador de partículas é bem simples: colocar partículas elementares (ou até mesmo átomos inteiros ionizados, ou seja, eletricamente carregados) em velocidades bem altas para... Bom, o que se faz com essas partículas em alta velocidade dependerá do tipo de projeto. Aceleradores não são todos iguais. Em geral, são projetados para fazer uma dessas três coisas:

Colisão Partícula-Partícula: Talvez a ideia mais intuitiva que o público tem sobre aceleradores é que eles colocam essas partículas e átomos em alta velocidade para depois fazê-los colidir entre si. De fato, esta é uma das finalidades básicas que um acelerador pode ser projetado para fazer. O maior exemplo atualmente é o LHC, onde ocorreu a detecção do bóson de Higgs: uma partícula fundamental que está associada à explicação do porquê as demais partículas elementares têm massa, e como essas massas podem ser bem diferentes umas das outras. Atualmente, este acelerador é o que consegue produzir os feixes de próton mais energéticos do mundo.

A figura abaixo mostra o túnel onde está construído o acelerador LHC. O tamanho total do anel do acelerador é cerca de 27km, em formato circular, construído no subsolo. Devido ao tamanho, percebe-se os funcionários se movendo com auxílio de veículos.

LHC

 

Uma das aplicações desse tipo de acelerador é a geração de partículas elementares a partir das colisões altamente energéticas. Quem nunca se perguntou “de quê são feitas as coisas?” A resposta dessa pergunta é estudada nesse tipo de acelerador. Além disso, com as altas energias envolvidas nas colisões, na escala de tamanho de núcleos atômicos, temos uma densidade de energia bastante alta no processo, o que é uma ferramenta essencial para estudar as características que o próprio universo tinha no passado distante, antes mesmo da formação das estrelas e das galáxias.

Colisão Partícula-Alvo: Uma segunda possibilidade de destino para as partículas em movimento a altas velocidades é fazê-las colidir contra alvos de diferentes materiais. Por exemplo, o acelerador Van de Graaff, na PUC do Rio de Janeiro, produz feixes de íons (átomos de hidrogênio, hélio, oxigênio, carbono, todos carregados eletricamente) a altas velocidades. Eles são acelerados e depois colidem contra os mais diferentes materiais. Outros exemplos desse tipo no Brasil são aceleradores do Laboratório de Implantação Iônica, na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, e também os aceleradores Pelletron: um no Instituto de Física da Universidade de São Paulo e outro, na Universidade Federal do Rio de Janeiro. Tudo isso sem contar as inúmeras máquinas de produção de Raios-X para medicina espalhadas pelo país. Dentro delas, elétrons são acelerados a altas velocidades com intuito de fazê-los colidir contra um alvo de metal. A desaceleração dos elétrons dentro do alvo metálico é que produz os feixes de raios-X que formarão a imagem que o médico usará como guia para oferecer o diagnóstico.

A próxima figura mostra o tubo externo que protege o sistema onde os íons são gerados e acelerados no acelerador Van de Graaff, na PUC-Rio. Para ter ideia de tamanho, compare o tubo com a pessoa que passa ao lado.

Acelerador na PUC-RJ

As aplicações desse tipo de uso de acelerador são, portanto, diversas. No meu caso em particular, quando trabalhei com experimentos no acelerador da PUC-Rio, uma das coisas que fizemos foi usar feixes de nitrogênio para colidir contra uma fina camada de água congelada. Como resultado da colisão, vários aglomerados com diferentes números de moléculas de água eram arremessados da superfície e suas massas eram medidas. A interação entre uma superfície de gelo e partículas incidentes em alta velocidade é uma maneira de simular, em laboratório, condições de vários ambientes espaciais em que isso ocorre pelo universo.

Luz Síncrotron: A terceira possibilidade de projeto dessas máquinas não é para usar as partículas em si, mas sim a luz que elas emitem quando são desviadas no interior dos aceleradores, a chamada luz síncrotron. Toda partícula eletricamente carregada que for submetida a uma aceleração emitirá radiação eletromagnética, ou seja, luz. É importante notar que ao falarmos de “luz” não estamos nos referindo apenas à luz visível, mas sim a diferentes faixas de “luz” (radiação eletromagnética) de diferentes frequências, como, por exemplo, infravermelho, ultravioleta e raios-X.

Nos aceleradores deste tipo, as partículas carregadas são aceleradas a altas velocidades e depois passam por regiões de intenso campo magnético que as fazem mudar de rumo. O desvio da trajetória, ou seja, uma curva, gera aceleração sobre a partícula e a faz emitir a luz síncrotron. Atualmente, existem dezenas de aceleradores do tipo síncrotron pelo mundo. No Brasil, a referência é o acelerador chamado UVX, que fica no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas, São Paulo. Ao mesmo tempo, também no LNLS, já está em fase final a construção de um novo acelerador síncrotron, o Sirius. Em ambos os sistemas, as partículas que serão aceleradas e depois desviadas para emitir luz síncrotron são elétrons.

A figura abaixo mostra o salão experimental onde fica o acelerador UVX, no LNLS. Dentro da estrutura de concreto é onde está montada a linha de vácuo por onde os elétrons passam e são desviados.

 

Acelerador UVX

O foco principal dessa modalidade de aceleradores é que eles sirvam como fonte de luz para várias técnicas experimentais. Por exemplo, quando se seleciona trabalhar com a emissão de luz ultravioleta pela partícula acelerada, essa luz pode servir de fonte de excitação para a técnica de espectroscopia de fluorescência. Quando se seleciona a faixa de raios-X, eles podem servir para técnicas experimentais de cristalografia, que permite identificar a estrutura cristalina de diferentes materiais.

Pode-se ainda escolher a faixa de luz em infravermelho, servindo de base para espectroscopia de absorção de infravermelho, e assim sucessivamente. Não é o foco aqui entrar nos detalhes de todas essas técnicas, mas a lição é que os usos dos aceleradores de partículas acabam se desdobrando em muitas outras aplicações para áreas como a biologia, física, química, medicina, engenharia, etc.

Velocidade

Desde o início, menciono “acelerar partículas bem rápido”. Agora é hora de dar uma noção melhor do que estamos falando. Talvez você já tenha ouvido que a “Teoria da Relatividade de Einstein” diz que objetos com massa (como as partículas dos aceleradores) não podem ultrapassar, ou nem mesmo atingir, a velocidade da luz.

No entanto, a teoria não limita o quanto as partículas podem se aproximar da velocidade da luz. É exatamente nesse âmbito que funcionam os aceleradores: eles colocam diferentes partículas e átomos a velocidades muitas vezes bem próximas da velocidade da luz. Aliás, a velocidade da luz, pra quem não conhece, é de, aproximadamente, 300 mil quilômetros por segundo. Caso você não tenha noção de o quanto isso é rápido, um feixe de luz emitido da Terra em direção à Lua atinge seu destino em apenas um segundo, aproximadamente.

No acelerador Van de Graaff, localizado na PUC-Rio, eu trabalhei com feixes de íons de nitrogênio acelerados até cerca de 1% da velocidade da luz. Dentro dos aparelhos de radiografia para medicina, ocorre a aceleração de elétrons até cerca de 50% da velocidade da luz. Já os aceleradores UVX, Sirius e no LHC trabalham com suas respectivas partículas a mais de 99% da velocidade da luz.

Sirius!

O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron abriga, em funcionamento desde 1997, o acelerador UVX. Apesar de existirem vários aceleradores síncrotron em funcionamento no mundo, o UVX, brasileiro, ainda é referência internacional, especialmente em termos de América Latina. Pesquisadores do mundo inteiro, especialmente os da América do Sul, submetem projetos de pesquisa visando realizar experimentos por aqui. Isso mostra que o Brasil já é uma referência em relação a síncrotron.

Atualmente, no próprio LNLS, ocorre a construção do novo acelerador síncrotron: o Sirius. As obras estão em fase final, e a previsão de término é para 2021. A próxima figura mostra uma foto aérea do estado da obra em fevereiro de 2018: apenas para comparação, o prédio do acelerador UVX, bem menor, está também na figura: é o prédio de telhado praticamente retangular, que se destaca mais à direita e acima na fotografia, entre as árvores.

Construção do Sirius

O Sirius é a “menina dos olhos” de aceleradores no Brasil. O motivo fica claro com os devidos pontos de destaque:

Tamanho: enquanto no acelerador UVX, os elétrons em operação percorrem um caminho de cerca de 90 metros, o Sirius será bem maior, com os elétrons percorrendo um caminho de cerca de 520 metros.

Linhas experimentais: essas “linhas” são os locais por onde passa a luz emitida pelos elétrons, ou seja, é na ponta dessas linhas que ficam localizadas as “estações experimentais” onde os cientistas realizam os diversos experimentos envolvendo a interação da luz com as amostras de interesse. Enquanto o UVX tem, atualmente, 17 linhas experimentais, o projeto do Sirius prevê 40 linhas: isso significa mais experimentos ao mesmo tempo, atendendo melhor à comunidade científica que deseja utilizar luz síncrotron para pesquisa.

Nível tecnológico: os avanços tecnológicos de um acelerador síncrotron costumam classificá-lo por “gerações”. Enquanto o atual, UVX, é de segunda geração, o Sirius será de quarta geração;

Características da luz e do feixe de elétrons: o feixe de elétrons no Sirius atingirá uma energia maior que o UVX. Além disso, o feixe será ainda mais estreito, permitindo que a luz emitida possa ser usada em análises bastante localizadas nas amostras de interesse. A luz síncrotron do Sirius terá faixas de luz de maior energia que o UVX e ainda será mais brilhante, com maior intensidade. De fato, quando em operação, ele será o acelerador de produção de luz síncrotron mais brilhante do mundo, na sua faixa de energia. Não é à toa que o nome do projeto é “Sirius”, uma referência direta à estrela homônima: a mais brilhante do céu noturno.

Vale o investimento?

O custo total do Sirius é estimado em R$ 1,8 bilhão. Vale? A meu ver, a resposta dessa pergunta já está dada – e é sim! – só pela discussão anterior. No entanto, se você ainda não se satisfez, podemos seguir nossa reflexão com base em alguns argumentos:

Muitas pessoas, quando tomam conhecimento das grandes somas de dinheiro envolvidas nos mais diferentes experimentos científicos, como os aceleradores, rapidamente costumam criticar o investimento em algo tão inútil... Falam coisas como “o que muda na minha vida colocar um elétron próximo à velocidade da luz?”, ou “é ridículo gastar tamanha soma de dinheiro apenas para matar a curiosidade sobre de que as coisas são feitas!”, e assim vai. É o famoso argumento que eu chamo de “inutilidade aparente”.

Apesar de ser possível defender a pesquisa básica como inerente ao ser humano, em sua necessidade de conhecer o mundo, vamos, por um momento, assumir a tal necessidade de “mudar a vida das pessoas”. Então: não se esqueça que aquilo que parece sem utilidade hoje não necessariamente será sem utilidade no futuro. Quando se começou a estudar a radioatividade e suas propriedades, não se imaginava que hoje a radiação seria uma forte aliada no tratamento do câncer, por exemplo.

O segundo ponto é que o desenvolvimento de máquinas de tecnologias de ponta no Brasil e no mundo, como o LHC e o Sirius, pressupõem justamente o desenvolvimento de tecnologias de ponta! Um acelerador é cheio de dispositivos tecnológicos sofisticados. Muitos desses dispositivos não podem ser simplesmente copiados ou comprados prontos: quando se quer fazer algo com destaque e modernidade, todos esses dispositivos são novamente projetados e fabricados. Sabe o que é isso? Uma grande oportunidade para indústria nacional.

Essa mesma lógica se aplica a diversas frentes da construção de um acelerador: desde circuitos eletrônicos, processamento de informática, equipamentos mecânicos de precisão, técnicas de detecção de radiação, técnicas de construção civil, etc. No futuro, todo esse desenvolvimento pode chegar ao cidadão comum, por meio de novos produtos de informática, novas soluções tecnológicas e novos meios de execução de obras. Isso tudo sem contar que muito do investimento nessas soluções tecnológicas ficam no próprio país, por meio de pagamentos a empresas nacionais, desenvolvedoras dos produtos necessários.

Aceleradores de partículas são máquinas incríveis e com inúmeras aplicações. Garantir o investimento e a manutenção de aceleradores no país é, portanto, uma questão de garantir experimentos de ponta nas mais diversas áreas do conhecimento. 

Marcelo Girardi Schappo é físico, com doutorado na área pela Universidade Federal de Santa Catarina. Atualmente, é professor do Instituto Federal de Santa Catarina, participa de projeto de pesquisa envolvendo interação da radiação com a matéria e coordena projeto de extensão voltado à divulgação científica de temas de física moderna e astronomia

REFERÊNCIAS

Para saber mais sobre os aceleradores UVX e Sirius do LNLS:

http://revistapesquisa.fapesp.br/2019/03/19/sirius-o-maior-e-mais-complexo-laboratorio-brasileiro/

https://www.lnls.cnpem.br/publico-e-imprensa/

Para saber mais sobre o acelerador LHC e o complexo de pesquisas do CERN:

https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider

Para saber mais sobre os aceleradores da UFRGS:

http://www.ufrgs.br/propesq1/programapremium/?page_id=78

Para saber mais sobre o acelerador Pelletron, na USP:

http://portal.if.usp.br/fnc/pt-br/acelerador-pelletron

Para saber mais sobre o acelerador Pelletron, na UFRJ:

http://atomica.if.ufrj.br/linpesq.html

Para saber mais sobre as aplicações dos aceleradores de partículas:

https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/26/002/26002812.pdf

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