Aceleradores de partículas: o que são, como funcionam e para que servem?

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 21 de Julho de 2021 às 21h20
LNLS

Talvez você já tenha ouvido falar em aceleradores de partículas, e quem sabe até mesmo já se deparou com rumores sobre um apocalipse que poderia ser desencadeado graças a essa tecnologia pouco compreendida. O medo do fim do mundo realmente acometeu parte da população na época da inauguração do Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês). Evidentemente, o fim do mundo não ocorreu — mas, afinal, o que é um acelerador de partículas?

A função de um acelerador de partículas é justamente o que o nome sugere: acelerar partículas para atingir um determinado objetivo — o que muda de acordo com o tipo de acelerador é o que acontece em seguida. E que partículas são essas? Desde as mais básicas, como elétrons, prótons e nêutrons, até compostas, como as partículas alfa formadas por dois prótons e dois nêutrons.

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O LHC é o maior acelerador de partículas do mundo e pertence à Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, também conhecida como CERN, que fica em Meyrin, Genebra. Já no Brasil, o maior acelerador de partículas é o Sirius, que está sob os cuidados do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), uma instituição de pesquisa em física, biologia estrutural e nanotecnologia localizado em Campinas, SP.

Tipos de aceleradores de partículas

Experimento Atlas, do LHC (Imagem: Reprodução/Maximilien Brice/CERN)

Existem muitos tipos de aceleradores e alguns deles estão presentes no nosso dia-a-dia, tais como equipamentos de radioterapia do câncer, de radiografia de alta potência, e até mesmo nos tubos de raios catódicos dos antigos televisores. Independentemente do tipo de tecnologia, o princípio é o mesmo: o acelerador concentra energia em um pequeno ponto, onde há um feixe de partículas subatômicas, para que elas viagem por um determinado trajeto, a uma determinada velocidade, sempre com posições muito precisas.

Alguns dos mais simples são o gerador de Van der Graaf (famoso por seu curioso efeito de fazer arrepiar os cabelos de quem tocar na cúpula, nas versões de demonstração) e o tubo de raios catódicos — ambos lineares e eletrostáticos. Os aceleradores lineares fazem com que as cargas elétricas ganhem velocidade ao longo de uma trajetória retilínea, e os eletrostáticos lidam com campos elétricos constantes.

Também existem os aceleradores cíclicos, feitos para que as partículas façam uma trajetória curva. Nesse caso, as partículas passam por um campo magnético que as desvia com o objetivo de controlar as direções, e é assim que elas conseguem dar uma volta nos tubos circulares dos grandes aceleradores científicos. Os tipos de aceleradores cíclicos mais utilizados são o cíclotron e o síncrotron.

Experimento Alice, do LHC (Imagem: Reprodução/Mona Schweizer/CERN)

A energia cinética das partículas que se movem dentro dos aceleradores é medida em uma unidade chamada elétron-volt (eV), que equivale à energia armazenada em elétron quando submetido a um potencial elétrico de 1 V. É possível atingir colisões entre partículas cuja energia é próxima de 7 TeV (7.1012 eV), mas para que isso seja possível os prótons e elétrons devem ser acelerados a mais de 99% da velocidade da luz.

Um dos usos mais comuns para os grandes e icônicos aceleradores é “visualizar” sub-partículas extremamente energéticas, como os quarks e os bósons de Higgs, que só podem ser observadas por instantes muito breves quando dois átomos se chocam à velocidade próxima à da luz. Isso é útil para estudar as características do universo nos primeiros instantes após o Big Bang, muito anates da formação das estrelas e das galáxias.

Nesse tipo de acelerador, o objetivo é o efeito final dessa colisão. Como Harry Westfahl Junior, diretor científico do LNLS, explicou em entrevista exclusiva ao Canaltech, “as partículas se chocam, se quebram, e você olha para as partes e tenta recompor o que tinha dentro delas — colocando em termos simples”. Mas nem todo acelerador tem o objetivo de fazer uma partícula colidir com outra. Nesse sentido, os aceleradores científicos podem ser divididos entre os colisores e os que produzem linhas de luz.

Experimento Solenoide de Múon Compacto, do LHC (Imagem: Reprodução/Maximilien Brice/Cern)

Nas luzes síncrotron, o objetivo não é usar as partículas em si, mas sim a radiação emitida pelas partículas aceleradas e desviadas no interior dos aceleradores. As partículas carregadas viajam em altas velocidades e depois passam por regiões de intenso campo magnético que as fazem mudar de rumo. Isso gera aceleração e faz com que a luz síncrotron seja emitida. “Nós coletamos a radiação do acelerador e há um conjunto de elementos óticos para focalizar essa radiação”, disse Westfahl.

Essa luz tem várias utilidades possíveis, porque com ela os cientistas podem trabalhar com a emissão de luz ultravioleta, raios-X, por exemplo. No caso da primeira, a luz pode ajudar na técnica de espectroscopia de fluorescência, enquanto no segundo caso os cientistas podem aprimorar técnicas experimentais de cristalografia, que permite identificar a estrutura cristalina de diferentes materiais. Já no infravermelho, a luz pode ajudar na pesquisa de espectroscopia de absorção.

Também existem aceleradores que colidem com outros tipos de materiais, como o de Van de Graaff. Ele produz feixes de íons (átomos de hidrogênio, hélio, oxigênio ou carbono carregados eletricamente) a altas velocidades para depois colidirem contra os mais diferentes materiais. Em alguns casos, a desaceleração dos elétrons em um alvo metálico produz feixes de raios-X, muito úteis para formar imagens usadas em consultórios médicos.

Sirius, o maior acelerador de partículas do Brasil

(Imagem: Reprodução/LNLS)

O Sirius é a mais complexa infraestrutura cientifica do país e possui mais de um acelerador, além de diferentes linhas de luz que levam o nome da fauna e da flora brasileiras — tais como Ema, Ipê, Jatobá e Quati — que já estão em processo de instalação. Em entrevista ao Canaltech, Harry Westfahl nos contou um pouco sobre algumas delas, os tipos de pesquisas que podem ser feitas por lá, as possíveis aplicações e os impactos que o Sirius pode trazer ao país e ao mundo.

Atualmente, há seis linhas montadas no Sirius, três delas já em fase de comissionamento técnico, que é o termo usado para uma fase anterior à inauguração oficial. “É quando estamos ainda testando tanto o acelerador quanto as linhas de luz, para chegar aos parâmetros finais”, explicou Harry. “É como se você tivesse uma câmera fotográfica que ainda não está pronta para fazer fotos, mas você já consegue obter uma imagem ou outra. Você percebe que precisa fazer ajustes antes de, digamos, disponibilizar essa câmera para que seja usada”.

Um segundo “pacote” trará outras oito linhas de luz, com construção prevista para 2022. No total, o complexo pode abrigar até 40 linhas no futuro. Com essas informações, já podemos perceber que os aceleradores do Sirius são da categoria que produzem uma luz útil para pesquisas, e não do tipo colisor. Cada uma dessas luzes tem suas propriedades específicas para tipos de pesquisas específicos. Por exemplo, elas podem ajudar na investigação da composição e estrutura da matéria, e isso pode ter aplicações em nanotecnologia, biotecnologia, ciências ambientais e muitas outras.

(Imagem: Reprodução/LNLS)

No Sirius, são cobertas todas as ondas do espectro eletromagnético, ou seja, as luzes podem emitir radiação desde as ondas de rádio até os raios-gama. “Então, você focaliza a radiação que é emitida pelo acelerador em uma amostra [de material], e observa os efeitos através da iluminação”. Atualmente, algumas linhas em fase de comissionamento já podem fazer experimentos de testes. Quando tudo estiver funcionando corretamente, os usuários finais, ou seja, os pesquisadores que utilizaram o Sirius para seus trabalhos, poderão usar a linha de luz necessária.

Mas como funciona? De acordo com Westfahl, são três aceleradores de partículas, cada um com uma função no processo de criar, energizar e armazenar as linhas de luz. “Nós temos um acelerador linear, apelilado de Linac, onde os elétrons são arrancados de um filamento de uma liga metálica aquecida por campos elétricos bem intensos, e acelerados em uma só direção. Depois, eles passam do Linac para um outro acelerador, o Booster; esse sim, é um acelerador circular. Em cada volta, eles [os elétrons] vão ganhando um pouco mais de energia, até que eles chegam na energia nominal” (que é de três bilhões de eletronvolts).

Uma vez atingida a energia nominal, os elétrons são enviados para um terceiro acelerador, que é o anel de armazenamento. “Quando a gente faz esse processo todo, dizemos que ‘injetamos’ os elétrons dentro do anel de armazenamento”. Ali, eles podem ficar “guardados” até durante uma semana, nas configurações atuais do Sirius, produzindo radiação para as linhas de luz. Todas as linhas instaladas funcionam simultaneamente, fazendo experimentos simultaneamente.

Linhas de luz do Sirius

(Imagem: Reprodução/LNLS)

Atualmente, são nove linhas em processo de instalação; dentre elas, as seis primeiras já estão montadas, e três destas já estão fazendo experimentos de comissionamento técnico. Uma delas é a linha Manacá, a primeira a ser “inaugurada”, capaz de fazer “fotos” tridimensionais da estrutura de biomoléculas, “átomo a átomo”, para revelar como essas moléculas se organizam. Isso é muito importante para se obter a informação necessária para desenvolver uma nova enzima ou novo medicamento.

Manacá já está em comissionamento com usuários, ou seja, testes com cientistas que desejam usar a linha de luz para suas pesquisas. Ela faz vários experimentos, como auxílio no combate ao coronavírus, por exemplo. Vários experimentos realizados ali tentam coletar informações sobre a estrutura do vírus, em diferentes aspectos, de acordo com Harry. A linha também pode ser usada para pesquisas com enzimas para diferentes tipos de biotecnologias. “Por exemplo, quebrar o açúcar para fazer uma reação química depende essencialmente de como os átomos estão organizados, e você pode fazer (com a Manacá) uma foto” dessa organização.

As outras linhas que estão próximas de começar a fazer experimentos já em comissionamento com usuários são a linha Catereté (espalhamento Coerente de Raios X, em três dimensões com resolução nanométrica) e Carnaúba (nanoscopia de Raios X). A linha Carnaúba usa um feixe nanométrico de raio-X, focalizado em alguns nanômetros. Com isso, você pode fazer uma varredura em diferentes tipos de amostras. “Usamos usa um feixe nanométrico, e em cada ponto onde esse feixe incide sobre o material ocorrem vários fenômenos de fluorescência”.

Com isso, você pode saber o tipo de elemento químico da amostra, qual o estado de oxidação, entre outras informações que permitem compor uma imagem tridimensional. Essa linha é útil para investigar a presença de elementos químicos dentro de determinado material, como o solo ou a raiz de uma planta, o que ajudará a determinar efeitos de uma fertilização ou entender como os nutrientes são transformados e absorvidos pela planta.

Na linha Carnaúba, pode-se ainda obter dados para desenvolvimento de catalisadores, desenvolvimento de materiais para filtração de água, entre outros tipos de pesquisas que exigem detecção de poros, por exemplo. “A estrutura dos poros é fundamental para se entender como um material filtrante se comporta, ou o solo, ou como as organelas de uma célula se organizam e se modificam quando ela é invadida por um vírus.

(Imagem: Reprodução/CNPEM/BBC)

Por outro lado, a Manacá “só consegue observar objetos pequenos, como uma proteína com resolução atômica”, ou seja, ela não consegue fazer a uma foto de um objeto maior, com a resolução do tamanho de uma proteína. Essas são as três linhas em estágio mais avançado em termos de experimentação, e já é possível perceber a amplitude de áreas da ciência que elas conseguem cobrir.

Existem ainda linhas muito interessantes em fase final de instalação, como a linha Ema, que conseguirá investigar materiais em condições extremas e observar como eles se comportam. Essas condições podem ser, por exemplo, temperaturas “da ordem de milhares de graus, campos magnéticos muito mais intensos que qualquer outro campo da Terra”, entre outras que permitirão “explorar novas fases da matéria”.

Como é que essas partículas são “vistas”?

É comum ler ou ouvir cientistas descreverem as propriedades das partículas, e isso também acontece quando o assunto são as pesquisas em aceleradores de partículas. Afinal, é preciso saber o que acontece dentro deles para que o trabalho mostre algum resultado. Mas como isso é feito? Ou melhor, como os cientistas sabem onde está a partícula e o que aconteceu com ela? Em outras palavras, será que eles enxergam as partículas atômicas e sub-atômicas, de algum modo fotografadas e ampliadas no computador?

Quando fizemos essa pergunta a Harry, a resposta foi quase filosófica. “Quando você diz que está ‘enxergando’ alguma coisa, o que você quer dizer com isso? Que a luz é refletida nessa coisa e o sistema óptico do seu olho focalizou na sua retina, e gerou algum tipo de reação, que gerou um impulso elétrico que foi parar em algum lugar no seu cérebro e criou uma sensação? Enxergar é um processo bastante complexo”.

Esquema de experimento com feixe de infravermelho iluminando uma ponta metálica de nano-antena para o experimento de nanoespectroscopia. A radiação infravermelha é confinada no ápice da ponta numa região de 25 nm (Imagem: Reprodução/LNLS/CNPEM/MCTI)

Nesse sentido, a luz de onda tem um comprimento de onda tão maior que um átomo que é impossível “enxergar” as partículas. Além disso, “cor não é uma propriedade da luz, é um nome que a gente dá para uma sensação que a radiação eletromagnética causa quando ela tem uma determinada faixa de comprimentos de onda”, ele nos explicou. Quando os cientistas dizem que “enxergamos os átomos”, eles estão na verdade usando instrumentos que mapeiam as partículas.

Um exemplo é o microscópio eletrônico, que atira elétrons sobre materiais e criam uma “sombra” dos átomos com uma resolução gigantesca. “Mas você não vai enxergar aquilo, você vai sensibilizar um detector que converte esses elétrons em formação digital e essa informação digital, e essa informação vai para tela do seu computador. Da mesma forma como você não está me enxergando agora, você está enxergando um sinal que está saindo da minha câmera, passando pela internet e indo para a sua tela”.

Também há um sensoriamento mais indireto, segundo Harry. “Quando a gente fala que enxerga uma proteína átomo a átomo, não quer dizer que a sombra de cada átomo vai sensibilizar um sensor diretamente. A gente usa um fenômeno chamado difração, que permite medir indiretamente, mas nos dá uma absoluta confiança de qual é cada átomo e aonde ele está, no espaço”. Então, essas informações vão para a tela do computador, com cores para representar cada tipo de átomo, molécula ou partícula.

Aceleradores de partículas e o cosmos

Instalações da linha de luz Carnaúba (Imagem: Reprodução/LNLS)

Também perguntamos a Harry como os aceleradores de partículas podem colaborar com a astronomia, e ele nos explicou que no campo tecnológico, ou seja, de instrumentação, as duas áreas trocam muita informações, já que elementos como espelhos, lentes, entre outros são os mesmos usados nos telescópios de raios-X, por exemplo.

Já no campo científico, há muitos aspectos da matéria que aceleradores conseguem analisar que podem ser utilizados no estudo do universo, como cristalinidade, forma, porosidade, composição química, e também é possível observar a matéria em ambientes interestelares simulados. Os astrônomos podem observas como as moléculas responsáveis pela vida se formaram e como elas podem resistir a ambientes de alta radiação.

Além disso, é possível usar a linhas de luz síncrotron de aceleradores como o Sirius para analisar a composição química de objetos que vieram do espaço, como meteoritos e amostras lunares, marcianas ou de asteroides, trazidas por missões de coleta. Entretanto, o Sirius não trabalha com escalas de energia capazes de simular ambientes de escala cosmológica, ao contrário do LHC, que pode simular condições de partículas próximas do Big Bang.

Impacto social e científico

Não há dúvidas de que o Sirius terá um grande impacto na ciência brasileira, principalmente nas áreas da saúde, de acordo com Harry. Ele poderá ajudar na coleta de conhecimento que será muito útil para a produção de novos fármacos e para diferentes áreas da biomedicina, além do desenvolvimento de novas tecnologias de diagnósticos.

Além dessas áreas, haverá um grande impacto no setor ambiental, já que o Sirius teve boa parte de seus experimentos desenhados para ter uma “relação com o ambiente”, segundo Westfahl. “Precisamos ter uma relação muito menos predatória do que a humanidade tem hoje. Compreender melhor os nossos recursos hídricos, os reservatórios de água, o efeito do homem sobre isso, a contaminação desses lugares […] tudo isso serve para, inclusive, simular situações e entender ao nível atômico os impactos e propor soluções para o meio ambiente”.

O Sirius foi especialmente preparado para dar muitas respostas sobre esses temas, então dentro de “algumas décadas”, Harry espera ver que esse grande investimento teve um imenso retorno em contribuições para a ciência, o ambiente e a sociedade. Isso será importante também no ponto de vista econômico, já que o Sirius utiliza energia equivalente a uma pequena cidade para energizar partículas e produzir a radiação para as linhas de luz.

Também será um grande legado para os futuros cientistas do Brasil. Segundo Harry, o Sirius já impacta “milhares de estudantes, e vai impactar muito mais, porque ele está aberto para todo mundo. É um instrumento que serve muitas áreas distintas — biologia, química, física, ciências de materiais, agronomia — então, estudantes de cada uma dessas áreas vão ter a oportunidade de utilizar uma ferramenta que é estado da arte, que te fornece respostas para perguntas bem formuladas”.

Por fim, na área da divulgação científica, o CNPI tem um programa de laboratório aberto, no qual o centro se abrirá uma vez por ano para a visita do público em geral. Os pesquisadores do Sirius esperam milhares de pessoas para visitar o centro, incluindo escolas que têm as visitas agendadas e haverá também um visita virtual em 3D a ser lançada em breve para oferecer uma experiência imersiva no complexo do Sirius.

Fonte: LNLS, BBC, Jornal da USP

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