Como os detectores de partículas capturam a bela realidade oculta da matéria

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Detectores novos e antigos traçam os caminhos giratórios de partículas subatômicas

A cada momento, partículas subatômicas fluem em números insondáveis pelo seu corpo. A cada segundo, cerca de 100 bilhões de neutrinos do sol passam por sua unha do polegar, e você é banhado por uma chuva de múons, nascidos na atmosfera da Terra. Mesmo bananas humildes emitem pósitrons, a contraparte de antimatéria do elétron. Existe todo um universo de partículas, e quase sempre não percebemos, em grande parte porque essas partículas são invisíveis.

Quando eu aprendi pela primeira vez, como um adolescente, que este mundo incalculável de partículas existia, não conseguia parar de pensar sobre isso. E quando pensei sobre isso, mal consegui respirar. Eu era, para roubar uma metáfora do escritor David Foster Wallace, um peixe que acaba de perceber que está nadando na água. A revelação de que estamos cozinhando em uma sopa de partículas é o motivo pelo qual comecei a estudar física e, eventualmente, a escrever sobre isso.

Para compreender verdadeiramente a matéria em seu nível mais fundamental, as pessoas devem ser capazes de visualizar este mundo oculto. É aí que entram os detectores de partículas. Eles localizam traços dos constituintes mais minúsculos do universo, tornando esses conceitos intangíveis reais. Além do mais, os detectores de partículas revelam beleza: as partículas deixam para trás graciosas espirais de bolhas, flashes de luz e linhas nítidas de faíscas.

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Como estudante de física, passei horas examinando essas imagens impressionantes em meus livros didáticos. Passei a construir detectores de partículas na pós-graduação e a fazer minhas próprias imagens de partículas abrindo caminho em nosso mundo.

Conforme uma partícula se move através de um material, ela solta migalhas de pão que podem revelar seu caminho. Essas migalhas de pão vêm em uma variedade de formas: luz, calor ou carga elétrica. “Basicamente, todo detector de partículas existente está procurando por uma ou mais dessas três coisas”, diz a física de partículas Jennifer Raaf, do Fermilab em Batavia, Illinois. Os detectores de partículas traduzem as migalhas de pão em sinais que podem ser registrados e analisados. Esses sinais ajudaram a revelar a física do modelo padrão, uma realização culminante da ciência que descreve as partículas e forças da natureza. Eles também são susceptíveis de ser a chave na descoberta da física além do modelo padrão.

Com o passar do tempo, as tecnologias de detecção de partículas melhoraram muito. Aqui estão alguns tipos de detectores que tornaram o invisível visível.

Através de uma nuvem

Uma das primeiras maneiras pelas quais os cientistas visualizaram rastros de partículas foi com câmaras de nuvens. Desenvolvidas há mais de um século, as câmaras de nuvens são preenchidas com um gás – geralmente um vapor de álcool – à beira de se condensar em um líquido. Quando uma partícula carregada passa pela câmara, ela retira elétrons do ar interno, criando uma carga elétrica que inicia a condensação. Uma linha fina se forma ao longo do caminho da partícula, como um rastro de fumaça em miniatura.

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Os cientistas muitas vezes cercam as câmaras de nuvens e outros detectores com um forte campo magnético, que dobra os caminhos das partículas em curvas ou espirais. As partículas carregadas negativamente se curvam em uma direção, as partículas positivas vão na direção oposta. Outros detalhes caracterizam ainda mais a partícula: A quantidade de curvatura indica o momento de uma partícula, por exemplo.

As câmaras de nuvens revelaram uma variedade de partículas até então desconhecidas, incluindo o pósitron e o múon, um primo pesado do elétron, na década de 1930. Essas partículas eram principalmente inesperadas. Na época, os físicos mal conseguiam entender o fato de que existiam partículas além de elétrons e prótons.

As câmaras de nuvens são simples o suficiente para que você possa fazer uma em sua própria casa, usando álcool e gelo seco.

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Trilhas de bolhas

A década de 1950 girou em torno de câmaras de bolhas.

Quando as partículas carregadas passam pelo líquido em uma câmara de bolha, elas deixam pequenas bolhas de vapor, como orbes iridescentes arrastando uma varinha de bolha de sabão. Embora as câmaras sejam normalmente preenchidas com hidrogênio líquido, uma variedade de líquidos pode ser usada; um dos primeiros protótipos até usava cerveja. As câmaras de bolhas poderiam ser maiores do que as de nuvens e produzir trilhas mais nítidas, tornando possível observar mais partículas com mais detalhes.

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Na mesma década, os aceleradores de partículas surgiram. Esses aceleradores produzem feixes energéticos de partículas que os cientistas podem colidir com outras partículas ou alvos. Essas colisões geram uma enxurrada de novas partículas. Os cientistas enviaram esses feixes para câmaras de bolhas para observar o que aconteceu.

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As imagens resultantes não eram apenas cientificamente esclarecedoras, eram impressionantes: se Raaf fosse fazer uma tatuagem, diz ela, poderia ser uma imagem de câmara de bolhas. Até agora, resisti à tentação de obter tinta.

Tornando-se digital

As câmaras de nuvem e câmaras de bolha tinham uma desvantagem. As trilhas eram normalmente registradas com fotografias e cada uma precisava ser inspecionada à vista para ver se havia algo de interesse. Esse processo era muito lento; impediu os físicos de descobrir as partículas que poderiam aparecer em apenas uma ou duas das inúmeras fotografias, se tanto. Para encontrar a mais rara das partículas, “você não pode realmente estar olhando para as fotos. Você deseja que essas informações sejam digitalizadas de maneira inteligente”, diz Sam Zeller, físico de partículas do Fermilab.

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Entre na câmara proporcional multifios. Inventada em 1968, essa tecnologia se baseia em uma série de fios de alta voltagem, que registram a carga produzida quando as partículas que chegam desalojam elétrons dos átomos em uma câmara cheia de gás. Essa técnica pode capturar milhões de rastros de partículas por segundo, muito mais do que as câmaras de bolhas poderiam alcançar. E os dados foram diretamente para um computador para análise. As câmaras proporcionais multifios e seus descendentes revolucionaram a física de partículas e levaram a descobertas de partículas como o quark encanto e o gluon na década de 1970, e os bósons W e Z na década de 1980.

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Alguns dos detectores modernos mais avançados traçam sua linhagem de câmaras proporcionais com múltiplos fios, como as câmaras de projeção de tempo de argônio líquido. Esses detectores são de alta resolução, o que significa que os pesquisadores podem ampliar os detalhes de uma interação e visualizá-la em 3-D. As câmaras de projeção de tempo de argônio líquido serão a chave para um dos maiores experimentos de física de partículas futuros nos Estados Unidos, o Deep Underground Neutrino Experiment em South Dakota. Como os neutrinos raramente interagem com a matéria, o experimento exige essas técnicas de detecção avançadas.

Brilhando uma luz

Os cientistas também desenvolveram métodos para detectar partículas por meio da luz. Quando uma partícula se move acima de um certo limite de velocidade para um determinado material, ela emite luz, conhecida como luz Cherenkov. É análogo a um avião passando pela barreira da velocidade do som e criando um estrondo sônico. Partículas carregadas também podem emitir luz ao passar por materiais misturados com certos produtos químicos, chamados cintiladores.

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Para detectar as pequenas quantidades de luz deixadas por partículas individuais, os cientistas usam tubos fotomultiplicadores, originalmente inventados na década de 1930, que convertem a luz em sinais elétricos. Esses tubos podem ser usados para captar a luz Cherenkov ou a luz cintiladora.

Os detectores de cintiladores começaram a provar seu valor em 1956, quando um tanque de cintilador líquido foi usado para descobrir o neutrino – antes considerado totalmente indetectável. Os detectores de cintilador líquido ainda são comuns – usados no experimento de neutrino NOvA no Fermilab, por exemplo – assim como os detectores feitos de tiras de plástico sólido com cintilador misturado.

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Juntando tudo

Os detectores modernos dos maiores coletores de partículas do mundo, como os detectores do Large Hadron Collider no CERN, perto de Genebra, acrescentam um pouco de tudo. “É esta cebola de diferentes tipos de detectores; cada camada é uma coisa diferente”, diz Raaf.

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Com vários andares de altura, essas máquinas enormes incluem uma variedade de tecnologias – detectores cintiladores de plástico, detectores Cherenkov, descendentes de câmaras proporcionais com múltiplos fios. Eles também incluem detectores feitos de silício que podem medir com precisão os rastros das partículas com base em pequenas correntes elétricas produzidas quando as partículas passam. Todos esses detectores funcionam em conjunto dentro de um ímã muito forte. Depois que as partículas colidem no centro do detector, os computadores retiram os dados de todas as partes e reconstroem o que aconteceu na colisão, traçando os caminhos que as partículas tomaram.

Não importa a técnica, os hipnotizantes hieróglifos subatômicos permitem aos físicos decifrar a linguagem nativa da matéria, revelando seus constituintes e as forças pelas quais eles se comunicam. “É incrível que você possa ver o invisível”, diz Zeller.

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Publicado em 08/08/2021 15h17

Artigo original:

• https://www.sciencenews.org/article/particle-detector-matter-subatomic-images-physics

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