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Entenda como cientistas criaram um acelerador de partículas impressionantemente pequeno

POR Bruno Dias EM Curiosidades 12/08/20 às 15h02

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A máquina que impulsiona partículas carregadas, quase na velocidade da luz, é chamada de acelerador de partículas. Ela foi inventada em 1930 e foi responsável pela descoberta de uma partícula inovadora chamada de Bóson de Higgs. Geralmente, o tamanho do acelerador de partículas é bastante grande.

Mas pesquisadores conseguiram criar um acelerador de partículas minúsculo. Que projeta feixes de elétrons ultracurtos usando um laser a mais de 99,99% da velocidade da luz. Para conseguir fazer isso, os cientistas tiveram a ideia de diminuir a velocidade da luz, para que ela chegasse perto da velocidade dos elétrons. Eles fizeram isso usando camadas finíssimas de quartzo, que são mais finas que um fio de cabelo, revestindo uma peça de metal.

Esse equipamento permite que se crie imagens da movimentação de átomos. Já que consegue manipular e fazer a medição de conjuntos de partículas em uma escala de tempo absurdamente baixa. Ele faz em 10 femtossegundos. Um femtossegundo é o tempo que a luz leva para viajar um décimo de um milímetro. Isso equivale a 0,00000000000001 segundo.

O experimento bem sucedido pode levar à criação de aceleradores e partículas de alta energia, carga e qualidade em níveis de terahertz (THz) mais baratos e de tamanhos menores. Fazer com que as dimensões e preços dos aceleradores fiquem menores irá levar esses equipamentos a serem empregados de várias outras maneiras novas.

Usos

Os aceleradores de partículas são usados para várias coisas. Como para a pesquisa científica básica da física de partículas, nos equipamentos médicos de radioterapia e na caracterização de materiais. E também na geração de isótopos radioativos, para aplicações médicas e triagem de cargas.

O estudo que foi publicado na revista "Nature Photonics" descobriu uma técnica bem peculiar quando usou lasers para gerar pulsos de luz na frequência de terahertz. No espectro eletromagnético, a faixa dos terahertz fica entre o infravermelho, que é usado em câmeras de vídeo e controles remotos, e microondas, que é usado nos fornos de mesmo nome.

Desafio

"O principal desafio foi combinar a velocidade do campo THz em aceleração com a velocidade do feixe de elétrons. Que está quase na velocidade da luz. Enquanto também evitava a velocidade inerentemente mais baixa do Envelope de pulso THz se propagando através de nossa estrutura de aceleração. Degradando significativamente o comprimento sobre o qual o campo de direção e os elétrons interagem", disse Morgan Hibberd, da Universidade de Manchester e principal autor do estudo.

"Superamos esse problema desenvolvendo uma fonte THz exclusiva. Que produzia pulsos mais longos contendo apenas uma faixa estreita de frequências. Aumentando significativamente a interação. Nosso próximo marco é demonstrar ganhos de energia ainda maiores, mantendo a qualidade do feixe. Prevemos que isso será realizado através de refinamentos para aumentar nossa fonte de energia THz. Que já estão em andamento", continuou.

O professor, Steven Jamison, da Universidade de Lancaster, que é líder do programa também comentou. "A aceleração controlada de feixes relativísticos com pulsos de laser de frequência terahertz é um marco no desenvolvimento de uma nova abordagem para aceleradores de partículas. No uso de frequências eletromagnéticas, cem vezes mais altas do que nos aceleradores de partículas convencionais. Um avanço revolucionário no controle dos feixes de partículas em escalas de tempo de femtossegundos se torna possível".

Os próximos passos dos cientistas incluem criar equipamentos de poucos metros. Que consigam substituir os grandes aceleradores de partículas. Como por exemplo, o European XFEL X-ray Free-Electron Laser Source que tem três quilômetros, em Hamburgo.


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Via   Phys  
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