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A matéria na menor escala é feita de partículas elementares, pedaços de matéria que não podem ser divididos em nada menor. À medida que os cientistas ao longo do século passado examinaram cada vez mais profundamente o átomo, encontraram as menores coisas que os seres humanos já viram. Como eles fazem isso?
O primeiro passo: aceleradores
A colisão de partículas em alta energia, seja com outras partículas ou com um alvo estacionário, permite que os físicos não apenas vejam o que está dentro dessas partículas, mas também usem a energia de suas colisões para criar partículas diferentes, mais massivas e mais exóticas de matéria. Para criar essas colisões de alta energia, os cientistas devem usar aceleradores de partículas muito poderosos.
Um simples acelerador
Para fazer o tipo mais simples de acelerador, os físicos usam uma bateria e duas placas metálicas paralelas separadas por um vão. Eles conectam uma placa ao terminal positivo da bateria e a outra ao terminal negativo. A bateria cria um campo elétrico no espaço entre as duas placas. Partículas carregadas positivamente que entram no espaço próximo à placa positiva experimentam uma força e aceleram através do espaço em direção à placa negativa, ganhando uma quantidade de energia que depende da voltagem da bateria. Para uma bateria de 10 volts, um próton ganha 10 elétron-volts, ou 10 eV, à medida que acelera entre as placas. Colocando muitas fontes de alimentação em sequência, os físicos aceleraram partículas a milhões de elétron-volts (MeV).
Aceleradores mais potentes
Em algum momento, é impraticável aumentar a tensão entre as placas de metal, pois as faíscas começarão a voar pelo espaço. Para acelerar as partículas a uma energia ainda maior, os físicos usam um grande número de placas de metal, todas com um buraco no meio. Usando correntes alternadas, as placas podem ser carregadas positivamente ou negativamente. Uma partícula carregada positivamente, como um próton, é atraída para a placa carregada negativamente à sua frente, voando em direção ao buraco. Quando o próton passa pelo orifício, a tensão da placa é alterada para um valor positivo, dando ao próton um empurrão extra. Ao mesmo tempo, a próxima placa na frente do próton fica carregada negativamente, atraindo e acelerando o próton. Portanto, cada intervalo entre duas placas fornece energia ao próton, desde que a voltagem das placas seja alterada sempre que o próton cruzar um buraco. Em aceleradores de alta energia, a comutação da tensão acontece vários bilhões de vezes por segundo, ou frequências gigahertz.
Colocando muitas placas em fila, os físicos criam aceleradores lineares, ou linacs, que podem acelerar partículas carregadas a bilhões ou trilhões de elétron-volts. Quanto mais placas e lacunas um linac tiver, maior será a energia que ele poderá fornecer a uma partícula – e mais longo o linac ficará.
Aceleradores em forma de anel
Em vez de construir linacs cada vez mais longos, os físicos podem usar ímãs para guiar partículas carregadas em um círculo. Ao fazer isso, os físicos são capazes de enviar as partículas repetidamente através do mesmo conjunto de placas, aumentando a energia das partículas a cada revolução.
À medida que as partículas ganham energia, é cada vez mais difícil mantê-las no mesmo caminho circular. A força do campo magnético deve ser aumentada. Aceleradores de partículas em forma de anel operam os ímãs mais poderosos do mundo. O poder de um acelerador de prótons em forma de anel é limitado por sua circunferência e pela força dos ímãs que são usados.
A segunda etapa: detectores
Revelar os menores constituintes da matéria com aceleradores é apenas metade da batalha. Os físicos também precisam de detectores de partículas extraordinários para observar o que acontece em colisões de alta energia.
Detectores são instrumentos que contam partículas, visualizam rastros, medem energias de partículas, registram o tempo de voo e identificam diferentes partículas. Os detectores podem ser tão pequenos quanto chips de computador ou grandes como prédios de apartamentos, contendo milhares de toneladas de aço e outros materiais.
Dependendo do tipo de acelerador e das partículas e forças a serem estudadas, os físicos combinam vários dispositivos de detecçãodispostos em configurações complexas. No caso de feixes em colisão, os físicos constroem um detector em torno do ponto em que os dois feixes colidem. Como as camadas de uma cebola, esse detector contém camadas sucessivas de dispositivos de detecção com funções diferentes. Perto do centro, os físicos colocam instrumentos de rastreamento de precisão, como detectores de silício e câmaras de fios. Esses instrumentos geralmente são cercados por calorímetros que medem a energia das partículas que passam. A camada externa de um detector, mais distante da área de colisão, é dedicada à detecção de múons, partículas pesadas semelhantes a elétrons que podem viajar alguns quilômetros através de rocha e aço antes de decair.
Uma das tarefas mais importantes da eletrônica do detector, chamada de triggering, é a seleção de sinais de colisão que sejam interessantes o suficiente para serem gravados permanentemente para exame posterior. É desnecessário e impossível manter os dez milhares de sinais do detector criados a cada milionésimo de segundo. Os físicos constroem e programam o hardware do detector para executar vários níveis de decisões de ir ou não antes de passar os dados para o próximo nível de processamento mais sofisticado.
Os físicos usam detectores para analisar partículas feitas não apenas em laboratório, mas também no espaço sideral. Os pesquisadores usam detectores para estudar partículas do espaço à medida que se aproximam e entram em nossa atmosfera em formas como raios cósmicos, raios gama e neutrinos emitidos pelo sol. Esses experimentos permitem que os pesquisadores testem teorias sobre como o universo foi formado, do que é feito e o que o futuro reserva.
A terceira etapa: análise de dados
Os detectores são o produto de colaborações internacionais de físicos, todos contribuindo com sua própria experiência e o apoio de suas instituições de origem. Em troca, cada físico recebe acesso aos dados registrados. Para simplificar a rede e a troca de dados dentro dessas colaborações mundiais, cientistas do laboratório de pesquisa europeu CERN inventaram a World Wide Web. Laboratórios de física de alta energia como DESY, SLAC e Fermilab estavam entre os primeiros a oferecer páginas da Web em seus países de origem.
Para analisar a enorme quantidade de dados, os físicos de partículas sempre confiaram em alguns dos computadores mais poderosos do mundo, adotando rapidamente novas tecnologias de computação. A análise de dados de física de partículas ocorre em farms de PCs poderosos e econômicos. Comparando eventos de colisão simulados com resultados experimentais, programas de computador sofisticados podem identificar os processos que ocorreram em cada colisão, seja quando dois feixes colidem ou em um alvo fixo. Os físicos usam os resultados para testar previsões teóricas, aprimorando nosso conhecimento de parâmetros cruciais, contrariando expectativas teóricas e descobrindo novos fenômenos.
Fonte: FERMILAB /
Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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