Por que um acelerador de partículas? Uma tentativa de justificar tecnicamente – parte III de …?

Escrevi aos borbotões sobre aceleradores de partículas e consegui dizer muito pouco a respeito destas máquinas maravilhosas. Realizei escapadas necessárias para temas próximos, em busca da melhor forma de apresentar a motivação por trás da construção de um maquinário de custo de cerca de 5 bilhões de dólares, pagos por vários países contribuintes. Poderia parecer missão de convencimento, evangelização até; mas passo longe disso (convença-se quem quiser). Exponho, antes, fatos e voluntario, sim, opiniões.

Gostaria de evitar idéias paralelas, mas algumas apresentações ainda se fazem necessárias. No pousté anterior desta série busquei explicações para o fato de não conseguirmos ver, utilizando puramente sistema ópticos, bloco de matéria que tenha dimensões da ordem de grandeza atômica, ou seja, 0,0000000001 metros ou, usando outra unidade de medida, 1 Ångström (é a velha dança dos nomes, sobre a qual já falei antes: o Ångström é outra unidade de medida de distância, sendo útil para comprimentos dez bilhões de vezes menores que o metro; essa profusão de nomes implica em economia no tratamento dos números).  

Os personagens do Quarteto Fantástico passaram a ter poderes depois de serem atingidos por raios cósmicos durante um vôo experimental. Não que seja possivel adquirir superpoderes dessa forma...

Os personagens do Quarteto Fantástico ganharam seus poderes depois de serem atingidos por raios cósmicos durante um vôo experimental.

Principiei uma exposição sobre a descoberta das partículas elementares, mas não me dei ao trabalho de explicar, sequer historicamente, como nosso conhecimento sobre elas evoluiu. Apesar de continuar esquivo, relembro (como escrevi no primeiro pousté desta série) que as primeiras experiências a revelar a existência do núcleo atômico e, posteriormente, de seus componentes, envolviam materiais radioativos.

A descoberta de um novo fenômeno costuma abrir possibilidades. Quando foi verificada a existência da radioatividade, logo houve uma tentativa de investigar qual seria sua relação com a eletricidade atmosférica; acreditava-se que a radioatividade dos elementos presentes no solo e os gases radioativos gerados por eles fossem os causadores dessa eletricidade. Pra verificar essa possibilidade, foram realizados experimentos diversos de verificação de eletricidade no ambiente – se não disse antes, digo agora: no começo do século as partículas radioativas eram três: as partículas alfa, beta e gama, portadoras de cargas elétricas positiva, negativa e neutra, respectivamente – e um dos parâmetros que sofreu variações foi a relação entre a distância do solo e a quantidade de cargas encontradas; oras, se a idéia é verificar o quanto materiais radioativos presentes no solo poderiam influenciar a eletricidade atmosférica, nada mais justo que verificar como a quantidade de carga elétrica varia com relação ao solo. Verificou-se, em experimentos realizados em balões atmosféricos, que quanto maior a altitude do balão carregando o experimento, maior era a quantidade de cargas elétricas encontradas, o que levou à conclusão de que: 1) as cargas elétricas não tinham como origem os elementos radioativos presentes no solo e, ainda mais interessante, que 2) sua origem era extraterrestre, ou seja, vinham do espaço. Esses experimentos marcaram a descoberta dos raios cósmicos. Acho que somente estes experimentos não eram capazes de apontar as duas conclusões de maneira restritiva – por exemplo, experimentos que demonstrassem as direções que os raios cósmicos viajavam devem ter sido importantes pra demonstrar que sua origem mais provável era extraterrestre -, mas certamente levantaram a hipótese pra que outras experiências pudessem cercar melhor a idéia (não falarei sobre isso hoje, quem sabe em outro texto).

As auroras (boreal e austral) são fenômenos visuais causados por raios cósmicos entrando na atmosfera de nosso planeta em regiões próximas aos pólos magnéticos

As auroras (boreal e austral) são fenômenos visuais causados por raios cósmicos entrando na atmosfera de nosso planeta em regiões próximas aos pólos magnéticos

Os raios cósmicos levaram, em muito pouco tempo, a novidades: verificou-se a antimatéria experimentalmente em uma câmara de gases, produzida por raios cósmicos que por ela passaram – falei sobre no pousté em que discuti Anjos e Demônios -. Mais ao menos na mesma época, diferentes experiências demonstravam que os raios cósmicos eram, em sua maioria, compostos por partículas carregadas. Até a década de 1950, os raios cósmicos eram o que de melhor havia para investigar a estrutura da matéria e descobrir novos tipos de partículas. (aos desavisados, deixo nota de que uma das partículas descobertas, o píon, teve envolvimento direto de um importante físico experimental brasileiro: César Lattes). Apesar de todo o avanço que os experimentos com raios cósmicos nos trouxeram, eles apresentavam uma grande dificuldade aos pesquisadores: previsibilidade. Em outras palavras, uma equipe de pesquisadores poderia passar grandes períodos de tempo aguardando raios cósmicos e, ainda assim, detectar poucos eventos; se poucos raios cósmicos fossem encontrados, pouca seria a matéria prima que os cientistas teriam em mãos para investigar.

Os experimentos com raios cósmicos continuam, incessantes; além de toda nova física que os raios cósmicos permitiram ser desvendada, eles – especialmente os raios cósmicos ultra-energéticos – ainda mantém mistérios escondidos que, espera-se, serão revelados no novo observatório Pierre Auger, em construção na Argentina e recentemente inaugurado, dia 14 passado. Entretanto, continuar a falar destes raios seria tergiversar. Pra matar minha própria dúvida, me perguntei: mas se não há um bom controle quanto à incidência ou não de raios cósmicos sobre os detectores deste observatório, porque então realizar a experiência? A resposta é que até então, um experimento para verificar os raios cósmicos ultra-energéticos nunca havia sido realizada em escala tão grande. Os detectores mais visíveis do observatório Pierre Auger a ser utilizados são enormes se comparados aos dos experimentos realizados até a década de 1950: são 1600 tanques de água contendo, cada um, 12000 litros de água e distanciados, entre si, em 1,5 km (ou seja, este método de detecção ocupa uma área nos pampas argentinos equivale ao país de Luxemburgo). Não que tamanho seja documento mas, seguindo o que falei no parágrafo anterior, os raios cósmicos que se deseja estudar – ultra-energéticos – aparecem uma vez por século por quilômetro quadrado. Se é desejado investigar os raios cósmicos ultra-energéticos, podemos sustentar a seguinte relação: quanto maior o detector, maior será a chance de encontrá-los e conseguir novas pistas sobre o cosmos. Existe ainda, no observatório Pierre Auger, uma segunda bateria de detectores – os detectores de fluorescência – que permitem a coleta de dados de raios cósmicos presentes na atmosfera terrestre. Estamos mais preparados que nunca pra entender as origens dos raios cósmicos ultra-energéticos, de onde se originam. O observatório Pierre Auger deverá trazer novidades nas áreas de cosmologia e astrofísica. Que venham os dados.

na parte inferior um dos tantos tanques de água e, na parte superior, um dos tantos prédios de detecção de fluorescência

Selo argentino de 0,75 pesos em homenagem ao observatório Pierre Auger. Os dois tipos de detectores usados no experimento estão representados: na parte inferior um dos tantos tanques de água e, na parte superior, um dos tantos prédios de detecção de fluorescência

Apresentar a radioatividade e os raios cósmicos é minha maneira de introduzir uma motivação técnica pra construção de um acelerador de partículas. Tanto a radioatividade quanto os raios cósmicos são fenômenos que envolvem partículas com alguma energia cinética, ou seja, velocidade não nula (de acordo com o referencial do laboratório – preciso ser chato sobre isso? Não, né? -); também, em comum, há o fato de que eram esperadas que tanto as partículas envolvidas na radioatividade quanto aquelas presentes nos raios cósmicos atingissem um alvo qualquer (ou, melhor dizendo, um detector). O que acontecia no caminho intermediário entre a fonte, a origem das partículas, e o próprio detector (ou conjunto de detectores) eram parte das peças dos quebra-cabeça existentes.

Experimentos mais simples, que permitissem repetições de condições e em intervalos de tempo cada vez mais curtos, seriam de grande ajuda aos investigadores da natureza. Ao invés de aguardarem por um chuveiro de raios cósmicos – parece brincadeira, essa coisa de chuva, mas os raios cósmicos produzem um efeito que se parece com uma chuva de partículas -, os físicos de partículas elementares resolveram instalar seu próprio chuveiro no laboratório! Os aceleradores de partículas representam facilidades diversas: fontes de partículas conhecidas estão ligadas a um sistema que força a colisão de um feixe de partículas contra um alvo (pode ser outro feixe de partículas viajando em sentido contrário, ou pode ser algum material específico); o choque acontece numa posição conhecida e cercado pelos detectores adequados ao que se está procurando. Os partículas aceleradas no LHC ou no Tevatron não atingem as mesmas energias dos raios cósmicos mais energéticos existentes na natureza (e espalhados pelo universo), mas concedem aos cientistas a possibilidade de modificar e conhecer os parâmetros de um determinado experimento.

Será que já entendemos o motivo técnico para a construção dos aceleradores de partículas? Quem sabe alguém abre abre uma reclamação nos comentários ou, vai saber, posso resolver falar mais e mais…

...mas que os personagens divertiram duas ou três gerações, isso não há quem negue.

Não que seja possível adquirir superpoderes depois de se expor a uma chuva de raios cósmicos... mas que o quarteto divertiu duas ou três gerações, isso não há como negar.

Comments
4 Responses to “Por que um acelerador de partículas? Uma tentativa de justificar tecnicamente – parte III de …?”
  1. marcelino disse:

    segun yo las palticulas s no son palticulas si no solo una fuerza que puede ser medida en el no movinto o sea cuando es una palticula quieta

  2. Renato Barros disse:

    30 de março de 2009 – olá meu nome é Renato Barros moro emn timom no MA, brasil! ….tenho um grande interese por fisica(….), e tenho observaçoes consideraveis a respeito do acelerador de particulas…. , de acordo com meus estudos os cientistas obterao, chocando protons, diferentes particulas positivas,campos magneticos super fortes (e bote forte nisso!), porem o que eu creio mesmo é que eles obterao grandes (enormes) quantidade de eletrons. De acordo com meus estudos a quntidade de carga poderá ser tao grande que trará perigo e enermo prejuizos ao acelerador poderá haver um considerável acidente …. mas creio eu que esse tipo de experimento poderá ser uma das fontes principais de energia em um futuro proximo, estou antecipanto isso pra voces… (mais contado 88366468)….

    • McFly disse:

      Renato,
      acidentes acontecem em qualquer lugar, até em casa. Mais de uma centena de físicos – e engenheiros, por que não? – já discutiram os possíveis problemas que podem acontecer no LHC e concordam que o experimento é seguro. As partículas provenientes do choque de dois feixes de prótons não possuem somente carga positiva, apesar de ser, sim, um canal possível. Muita coisa acontece ali, por causa do choque. Ah, e claro: elétrons também são um produto da colisão e dos processos que acontecerão em decorrência da mesma!
      Choques de feixes de partículas não deverá ser uma das principais fontes de energia no futuro porque se gasta muita energia pra acelerar as partículas do feixe, não valendo a pena recorrer a esse tipo de “gerador”.

      Fiquei curioso: o que são “seus estudos”? Quero dizer, andou lendo, apenas pensando… o quê?
      Volta sempre.

  3. Acerca de aceleradores de partículas.

    Discutindo com um físico israelita sobre os pensamentos que desenvolvi, recebi amissiva seguinte:

    “If the volume ratios of position and momentum space are not constant then the electric charge should change in value which it, according to accelerator experiments does not do.”

    As cargas elétricas aceleradas não alteram o seu valor?

    Não conheço a experiência.

    Não sei como foi medido o valor da carga, directamente não me parece possível, indirectamente quais os factos que não se verificaram.

    Pode me informar sobre esta experiência?

    Obrigado desde já.

    Cumprimentos

    Rebelo Fernandes

    Já agora se tiver curiosidade:

    http://rebelofernandes.com

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