LIÇÃO 3: ACELERADORES E DETECTORES DE PARTÍCULAS

APRESENTAÇÃO

Agora chegamos definitivamente aos aceleradores de partículas!

Vamos analisar a estrutura dos aceleradores e detectores de partículas, onde as colisões entre feixes de hádrons são feitas.

Fonte: Adaptado de Pietrocola et al (2010)

          Como atividade inicial temos “Rastreando partículas” inspirado em Pietrocola et al (2010).

Analise as imagens da trajetória deixada pelas partículas káon positivo  e píon negativo  detectadas numa câmara de bolhas. Na região age um campo magnético perpendicular ao plano e orientado para cima.

Por que as partículas apresentam trajetória curva? Que informações podemos inferir sobre esse comportamento? Por que as partículas, nas mesmas condições iniciais, apresentam diferentes sentidos e ângulo de curvatura? Que outras observações podem ser feitas sobre os rastros de partículas em uma câmara de bolhas?





TEXTO-BASE

Feixes de hádrons são acelerados a velocidades próximas à da luz (equivalente a 0, 9999999991c) gerando colisões a uma energia de 13 TeV, gerando novos conhecimentos sobre as partículas que compõem a matéria, registradas nos detectores localizados em pontos específicos no CERN.

Os aceleradores de grande dimensão como o LHC (Large Hadron Collider) possuem o mesmo princípio de funcionamento. Os aceleradores podem ser lineares, nos quais as partículas percorrem trajetórias retilíneas até a colisão e, também, circulares, nos quais as partículas viajam por uma região circular até colidirem e gerarem novos eventos, registrados nos detectores.

O LHC é um acelerador circular, como mostra a imagem ao lado. Os detectores e aceleradores estão dispostos estrategicamente ao longo do anel, situado em um túnel de 27 km de circunferência a 50 cerca de 50 e 75 km abaixo do solo, em Genebra, região entre a França e a Suíça e consumiu 10 bilhões de dólares em um árduo trabalho de mais de 20 anos.

 

Fonte: Evento MasterClass USP 2012

 

No LHC, as partículas são aceleradas numa trajetória retilínea através do LINAC (Linear Particle Accelerator) e suas velocidades são aumentadas descrevendo uma forma circular por meio do PS (Proton Synchrotron). Após as colisões dessas partículas, quatro detectores estão dispostos sobre o LHC para registrar os resultados dos choques: o ALICE (A Large Ion Collider Experiment), que analisa a colisão entre íons pesados; o ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), que estuda a colisão entre prótons com energia do centro de massa de até 7 TeV; o CMS (Compact Muon Solenoid), que detecta partículas chamadas múons, além de fótons, elétrons e hádrons e até neutrinos; e o LHCb (Large Hadron Collider beauty), que foi projetado para o estudo de decaimento de partículas chamadas mésons como o quark b. (o estudo das partículas será apresentado em uma lição adiante).

Nesse contexto, os cientistas pretender identificar novas partículas nos experimentos do LHC que são previstas teoricamente e são testadas hipóteses não previstas nos modelos estudados. São discussões que levam os físicos teóricos e experimentais a considerarem as possibilidades de existência de novas partículas por meio de modelos e teorias. São anos nos quais os físicos teóricos desenvolvem uma série de modelos e simulações que preveem os tipos de fenômenos que podem ser observados experimentalmente nos detectores de partículas do LHC.

RECURSOS MIDIÁTICOS

1) Vídeo “LHC o maior acelerador de partículas”.

2) Vídeo “Acelerador de Partículas”

MATERIAL COMPLEMENTAR

 Cientistas querem fabricar aceleradores de partículas para tratar câncer

Cientistas querem fabricar pequenos aceleradores de partículas para tratar o câncer. O assunto foi abordado por Rolf-Dieter Heuer, diretor do CERN (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear), lar do LHC, o maior acelerador de partículas do mundo, durante a Conferência Internacional de Pesquisa em Radiologia Oncológica, em Genebra.

Os aceleradores de partículas como o LHC provocam a colisão de prótons a uma velocidades próxima à da luz. Os físicos estudam as propriedades fundamentais da matéria analisando essas colisões. Os prótons são gerados a partir de um feixe que, além de ajudar na física de partículas, é capaz de eliminar células cancerígenas de forma mais eficiente do que a radioterapia.

Bisturi de prótons - Durante os últimos anos, os tratamentos que usavam raio-x (radioterapia) foram substituídos em alguns hospitais por outros que utilizam os feixes de prótons. Esses feixes se transformam em um 'bisturi' mais preciso e eficaz do que os raios-x, embora existam inconvenientes. Ao entrarem no corpo, o percurso da radiação das partículas afeta tanto as células cancerígenas quanto as saudáveis.

De acordo com Heuer, a meta dos físicos é saber o que a medicina precisa e o que pode ser desenvolvido para ajudar no tratamento do câncer. O CERN está tentando desenvolver novos tratamentos usando antiprótons - uma partícula como o próton, mas com carga inversa - para minimizar o efeito da radiação sobre as células saudáveis.

Contudo, se esses tratamentos forem validados para uso clínico contra o câncer, a primeira aplicação demorará pelo menos uma década. "Agora, o importante é construir aceleradores menores e baratos para que cada hospital possa tê-los em uma sala de tratamento", disse Heuer.

Porém, o diretor acrescentou que o CERN não pretende se transformar em um centro de pesquisa médica, apesar de algumas pesquisas terem esse cunho. "Podemos produzir os prótons, mas não vamos nos dedicar a gerar essas partículas para hospitais", disse. Heuer defende o trabalho do CERN na pesquisa fundamental da física.

Remédio caro - Enquanto os aceleradores de partículas para hospitais não ficam prontos, médicos também falaram sobre o custo dos remédios para tratamento do câncer durante a conferência. Soren Bentzen, professor de Oncologia na Universidade de Wisconsin, lamentou que muitos dos remédios usados para tratar a doença são excessivamente caros. Isso faz com que, em algumas ocasiões, os pacientes não recebam o tratamento mais adequado.

Bentzen afirmou que uma pesquisa para produzir um remédio contra o câncer pode custar cerca de 1 bilhão de dólares e defendeu uma personalização do tratamento do câncer. "Temos mais condições de descrever cada tumor do que anos atrás. Poderiam ser definidos outros subtipos de tumores para tratamento mais personalizado do que o que existe atualmente", disse.

Adaptado de: <http://veja.abril.com.br/noticia/ciencia/cientistas-querem-fabricar-aceleradores-de-particulas-para-tratar-cancer/>. Acesso em 02 de junho de 2015.

QUESTÕES PARA REFLEXÃO

1) São inúmeras as tecnologias desenvolvidas no CERN, a partir de pesquisas em física de partículas que influenciam na sociedade, como a terapia contra o câncer, a incineração de resíduos nucleares, a geração de energia, o uso para obtenção de imagens médicas, a criação do World Wide Web, as imagens na Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Como as pesquisas em física de partículas pode extrapolar o mundo da pesquisa e colaborar para outras tecnologias para as nossas casas, escolas e bem-estar da humanidade?

2) Considerada uma máquina segura pelos cientistas, o LHC está localizado na cidade de Genebra, sendo formado por um enorme tubo circular com circunferência de 27 km e diâmetro de 7 m; é subterrâneo, ficando a cerca de 100 m abaixo do solo e sua construção envolveu milhares de cientistas e engenheiros, com duração de 20 anos e custou 10 bilhões de dólares. Que razões ambientais, políticas e econômicas são justificáveis para o fato de o LHC possuir essa localização estratégica?

3) Feixes de prótons nos aceleradores são mais eficazes que raios-X. A tecnologia, contudo, precisa ser melhorada para não afetar celular saudáveis. De acordo como a notícia, os cientistas querem fabricar pequenos aceleradores de partículas para tratar o câncer. O assunto foi abordado por Rolf-Dieter Heuer, diretor do CERN (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear), lar do LHC, o maior acelerador de partículas do mundo, durante a Conferência Internacional de Pesquisa em Radiologia Oncológica, em Genebra. (Revista Veja, fevereiro de 2012). Como você analisa essa informação?

4) Calcule quantas voltas um próton executa no anel do LHC (27 km) a cada segundo? O que esse resultado representa?

5) Um consórcio internacional, que reúne dezenas de países, milhares de cientistas e emprega bilhões de dólares, é responsável pelo Large Hadrons Colider (LHC), um túnel circular subterrâneo, de alto vácuo, com 27 km de extensão, no qual eletromagnetos aceleram partículas, como prótons e antiprótons, até que alcancem 11.000 voltas por segundo para, então, colidirem entre si. As experiências realizadas no LHC investigam componentes elementares da matéria e reproduzem condições de energia que teriam existido por ocasião do Big Bang. (a) Calcule a velocidade do próton, em km/s, relativa - mente ao solo, no instante da colisão. (b) Calcule o percentual dessa velocidade em relação à velocidade da luz, considerada, para esse cálculo, igual a 300.000 km/s. (c) Além do desenvolvimento científico, cite outros dois interesses que as nações envolvidas nesse consórcio teriam nas experiências realizadas no LHC.

       6) O projeto é ambicioso, todo o "brinquedo" custou 8 bilhões de dólares, tem 27 km de circunferência e fica em um túnel 100 metros abaixo da superfície da terra na divisa da Suíça com a França. Quando estiver em funcionamento, ele consumirá a energia equivalente ao de 40 shoppings centers e só não será ainda maior, pois toda sua estrutura estará resfriada por nitrogênio líquido a uma temperatura de -270 °C. Todo esse investimento é necessário para a sociedade? Comente.