Nas profundezas da Europa, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo vive em um túnel circular com cerca de 27 quilômetros de circunferência. Ao evacuar todo o ar interno, os prótons que se movem quase à velocidade da luz circulam em direções opostas, empurrados para as energias mais altas já criadas artificialmente.
Em alguns pontos explícitos, os dois feixes internos são focados o mais firmemente possível e são cruzados, onde um pequeno número de colisões próton-próton ocorre com cada grupo de prótons que passa. E, no entanto, a energia por partícula atinge cerca de 7 TeV: menos de 0,00001% das energias que observamos de nossas partículas de raios cósmicos de energia mais alta. Por que estamos tão limitados aqui na Terra? Essa é a pergunta do torcedor do Patreon, Ken Blackman, que quer saber:
Por que o LHC não pode criar partículas com a energia da partícula OMG? Qual a limitação? Por que uma máquina tão vasta e incrivelmente poderosa não consegue bombear apenas 51 joules em uma única partícula subatômica?
Quando você olha o que fazemos na Terra versus o que ocorre no espaço, não há comparação.
Por mais complicada e intrincada que uma máquina seja o Large Hadron Collider (LHC), o princípio em que trabalha é surpreendentemente simples. Prótons e partículas carregadas eletricamente em geral podem ser aceleradas por campos elétricos e magnéticos. Se você aplicar um campo elétrico na direção do movimento de um próton, esse campo elétrico exercerá uma força positiva sobre esse próton, fazendo com que ele acelere e ganhe energia.
Se fosse possível construir um acelerador de partículas infinitamente longo e você não precisasse se preocupar com outras forças ou movimentos, isso nos daria imediatamente uma maneira ideal de criar partículas de quaisquer energias altas que pudéssemos sonhar. . Aplique esse campo elétrico ao seu próton, o que faz com que seu próton experimente uma força elétrica e seu próton acelere. Enquanto esse campo estiver lá, não há limite para quanta energia você poderia injetar em seu próton.
As cavidades de aceleração usadas pelo LHC são extremamente eficientes e podem acelerar as partículas em cerca de 5 milhões de volts para cada metro que eles percorrem. Se você quisesse bombear “meros” 51 joules em um próton, no entanto, isso exigiria uma cavidade de acelerador com impressionantes 60 bilhões de quilômetros de comprimento: cerca de 400 vezes a distância da Terra ao Sol.
Embora isso proporcione uma energia de cerca de 320 quintilhões de elétron-volts (eV) por partícula, ou cerca de 45 milhões de vezes a energia que o LHC realmente alcança, é extremamente impraticável construir um campo elétrico uniforme que percorra uma distância tão grande. Mesmo construindo um acelerador linear de partículas na maior distância contínua nos Estados Unidos, perto de 4.500 km, você chegaria a cerca de 22 TeV por partícula: um pouco melhor que o LHC. (E teria que subir / afundar centenas de quilômetros acima / abaixo da Terra, devido à curvatura do nosso planeta.)
Isso destaca por que os aceleradores de partículas de energia mais alta, os que aceleram prótons, quase nunca são lineares na configuração, mas são dobrados em uma forma circular.
Embora os campos elétricos sejam necessários para levar suas partículas a energias mais altas e levá-las a uma fração de minúscula mais perto da velocidade da luz, os campos magnéticos também podem acelerar as partículas carregadas, dobrando-as em um caminho circular ou helicoidal. Na prática, é isso que torna o LHC e outros aceleradores assim tão eficientes: com apenas algumas cavidades de aceleração, é possível obter enormes energias usando-as repetidamente para acelerar os mesmos prótons.
A configuração então parece simples. Comece acelerando seus prótons de alguma maneira antes de injetá-los no anel principal do LHC, onde eles encontrarão:
partes retas, onde os campos elétricos aceleram os prótons para energias mais altas, partes curvas, onde os campos magnéticos os dobram em curvas até atingirem a próxima parte reta, e repita isso até obter a energia mais alta que desejar.
Por que, então, você não pode alcançar energias arbitrariamente altas usando esse procedimento? Na verdade, existem duas razões: a que nos impede na prática e a que nos impede em princípio.
Na prática, quanto maior a energia de sua partícula, mais forte será o campo magnético para dobrá-lo. É o mesmo princípio que se aplica ao dirigir seu carro: se você quiser fazer uma curva muito apertada, é melhor desacelerar. Se você for rápido demais, a força entre os pneus e a estrada em si será muito grande e seu carro sairá da pista, causando um desastre. Você precisa desacelerar, construir uma estrada com uma curva maior ou (de alguma forma) aumentar o atrito entre os pneus do seu carro e a própria estrada.
Na física de partículas, é a mesma história, exceto que seu túnel curvo é a estrada curva, a energia de sua partícula é a velocidade e o campo magnético é o atrito.
Isso significa que a energia de sua partícula é inerentemente limitada, na prática, pelo tamanho do acelerador que você construiu (especificamente, pelo raio de sua curvatura) e pela força dos ímãs que dobram as partículas para dentro. Se você deseja aumentar a energia de suas partículas, pode construir um acelerador maior ou aumentar a força de seus ímãs, mas ambos apresentam grandes desafios práticos (e financeiros); um novo acelerador de partículas nas fronteiras de energia é agora um investimento de uma vez por geração.
Mesmo se você pudesse fazer isso com o conteúdo do seu coração, no entanto, em princípio você ainda estaria limitado por outro fenômeno: radiação síncrotron. Quando você aplica um campo magnético a uma partícula carregada em movimento, ela emite um tipo especial de radiação, conhecida como radiação de ciclotron (para partículas de baixa energia) ou síncrotron (para partículas de alta energia). Embora isso tenha seus próprios usos práticos, como em aplicações pioneiras na fonte avançada de fótons da Argonne Lab, limita ainda mais as velocidades das partículas dobradas por um campo magnético.
As limitações da radiação síncrotron são por que, para alcançar as energias mais altas, aceleramos os prótons em vez dos elétrons. Você pode pensar que os elétrons seriam a melhor aposta para alcançar energias mais altas; afinal, eles têm a mesma força de carga elétrica que um próton, mas têm apenas 1/1836 da massa, o que significa que a mesma força elétrica pode acelerá-los quase 2.000 vezes mais. A quantidade de aceleração que uma partícula experimenta, para um determinado campo elétrico, depende da razão carga / massa da partícula em questão.
Mas a taxa em que a energia é irradiada devido a esse efeito depende da taxa de carga / massa em relação à quarta potência, o que limita a energia que você pode obter muito rapidamente. Se o LHC operasse com elétrons em vez de prótons, seria capaz de atingir energias de cerca de 0,1 TeV por partícula, de acordo com os limites que o antecessor do LHC, o Large Electron-Positron collider (LEP), realmente alcançou.
Para exceder os limites da radiação síncrotron, você deve construir um acelerador de partículas maior; construir um ímã mais forte não vai lhe render nada. Embora muitas pessoas estejam tentando construir um colisor de partículas da próxima geração, alavancando eletroímãs mais fortes e um raio de anel maior, as energias máximas com as quais as pessoas sonham ainda são apenas cerca de 100 TeV por colisão: ainda um fator mais de um milhão menor que o o próprio universo pode produzir.
A mesma física que limita fundamentalmente as energias que as partículas atingem na Terra ainda existe no espaço, mas o Universo nos fornece condições que nenhum laboratório terrestre jamais alcançará. Os campos magnéticos mais fortes criados na Terra, como no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, podem se aproximar de 100 T: um pouco mais de um milhão de vezes mais forte que o campo magnético da Terra. Em comparação, as estrelas de nêutrons mais fortes, conhecidas como magnetares, podem gerar campos magnéticos de até 100 bilhões de T!
Os laboratórios naturais encontrados no espaço não apenas aceleram prótons e elétrons, mas também núcleos atômicos. Os raios cósmicos de energia mais alta que já medimos com muita precisão não são simplesmente prótons, mas núcleos pesados como o ferro, que é 50 vezes mais massivo que um próton. O único raio cósmico de energia mais alta de todas, conhecido coloquialmente como a partícula Oh-Meu-Deus, provavelmente era um núcleo de ferro pesado acelerado em um ambiente astrofísico extremo: em torno de uma estrela de nêutrons ou mesmo de um buraco negro.
Os campos elétricos que podemos gerar na Terra simplesmente não conseguem segurar uma vela com a força dos campos acelerados encontrados nesses ambientes astrofísicos, onde mais massa e energia do que todo o nosso Sistema Solar contém são compactadas em um volume do tamanho de uma grande ilha como Maui. Sem as mesmas energias, ambientes e escalas cósmicas à nossa disposição, os físicos terrestres simplesmente não podem competir.
Se pudéssemos escalar nossos aceleradores de partículas em tamanho, como se o custo e a construção não fossem um objeto, poderíamos algum dia esperar corresponder ao que o Universo oferece. Com ímãs comparáveis ao que temos hoje no LHC, um acelerador de partículas que circulava o equador da Terra poderia atingir energias cerca de 1.500 vezes o que o LHC poderia alcançar. Uma que se estendesse ao tamanho da órbita da Lua atingiria energias quase 100.000 vezes o que o LHC alcança.
E indo ainda mais longe, um acelerador circular do tamanho da órbita da Terra finalmente criaria prótons cujas energias alcançariam a da partícula Oh-Meu-Deus: 51 joules. Se você escalou seu acelerador de partículas até o tamanho do Sistema Solar, teoricamente poderia investigar a teoria das cordas, a inflação e recriar literalmente as energias do Big Bang, com consequências potencialmente finais do Universo.
Por enquanto, talvez infelizmente, esses terão que permanecer os sonhos de entusiastas da física e cientistas loucos. Na prática, os aceleradores de partículas na Terra, limitados por tamanho, força do campo magnético e radiação síncrotron, simplesmente não podem competir com o laboratório astrofísico fornecido pelo nosso Universo natural.
Publicado em 22/02/2020 19h37
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