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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Acelerador de partículas carregado. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor A física moderna tem uma maneira testada e comprovada de penetrar os segredos do núcleo atômico - bombardeá-lo com partículas ou irradiá-lo e ver o que acontece com ele. Para os primeiros estudos do átomo e de seu núcleo, bastava a energia das radiações decorrentes do decaimento natural dos elementos radioativos. Mas logo essa energia não foi suficiente e, para "olhar" ainda mais fundo no núcleo, os físicos tiveram que pensar em como criar artificialmente um fluxo de partículas de alta energia. Sabe-se que, tendo caído entre eletrodos com cargas diferentes, uma partícula carregada, por exemplo, um elétron ou um próton, acelera o movimento sob a ação de forças elétricas. Esse fenômeno deu origem na década de 1930 à ideia de criar o chamado acelerador linear. Por design, um acelerador linear é uma câmara de tubo longa e reta, dentro da qual o vácuo é mantido. Um grande número de tubos-eletrodos de metal são colocados ao longo de todo o comprimento da câmara. A partir de um gerador especial de alta frequência, uma tensão elétrica alternada é aplicada aos eletrodos - de modo que quando o primeiro eletrodo é carregado, digamos positivamente, o segundo eletrodo seja carregado negativamente. Em seguida, novamente o eletrodo positivo, seguido pelo negativo.
Um feixe de elétrons é disparado da "arma" de elétrons para a câmara e, sob a ação do potencial do primeiro eletrodo positivo, começa a acelerar, deslizando ainda mais através dele. Ao mesmo tempo, a fase da tensão de alimentação muda e o eletrodo, apenas carregado positivamente, torna-se negativo. Agora ele repele os elétrons de si mesmo, como se os incitasse por trás. E o segundo eletrodo, tendo se tornado positivo durante esse tempo, atrai elétrons para si, acelerando-os ainda mais. Então, quando os elétrons passarem por ele, ele ficará negativo novamente e os empurrará em direção ao terceiro eletrodo. Assim, à medida que os elétrons avançam, eles aceleram gradualmente, atingindo a velocidade da luz no final da câmara e adquirindo uma energia de centenas de milhões de elétron-volts. Através de uma janela instalada na extremidade do tubo, impenetrável ao ar, uma porção de elétrons acelerados incide sobre os objetos estudados do micromundo - átomos e seus núcleos. É fácil entender que quanto mais energia queremos transmitir às partículas, mais longo deve ser o tubo do acelerador linear - dezenas ou até centenas de metros. Mas isso nem sempre é possível. Agora, se você enrolar o tubo em uma espiral compacta. Então, tal acelerador poderia ser colocado livremente no laboratório. Outro fenômeno físico ajudou a dar vida a essa ideia. Uma partícula carregada, uma vez em um campo magnético, começa a se mover não em linha reta, mas "enrolando-se" em torno das linhas do campo magnético. Assim, surgiu outro tipo de acelerador - o ciclotron. O primeiro ciclotron foi construído em 1930 por E. Lawrence nos EUA.
A parte principal do cíclotron é um poderoso eletroímã, entre os pólos do qual é colocada uma câmara cilíndrica plana. Consiste em duas caixas metálicas semicirculares separadas por uma pequena abertura. Essas caixas - dees - servem como eletrodos e são conectadas aos pólos de um gerador de tensão alternada. No centro da câmara há uma fonte de partículas carregadas - algo como uma "arma" eletrônica.
Tendo voado para fora da fonte, a partícula (vamos supor que agora é um próton carregado positivamente) é imediatamente atraída pelo eletrodo, que atualmente está carregado negativamente. Não há campo elétrico dentro do eletrodo, então a partícula voa nele por inércia. Sob a influência de um campo magnético, cujas linhas de força são perpendiculares ao plano da trajetória, a partícula descreve um semicírculo e voa até o espaço entre os eletrodos. Durante esse tempo, o primeiro eletrodo se torna positivo e agora empurra a partícula para fora enquanto o outro a puxa. Assim, passando de um dee para outro, a partícula ganha velocidade e descreve uma espiral que se desenrola. As partículas são removidas da câmara com a ajuda de ímãs especiais no alvo dos experimentadores. Quanto mais a velocidade das partículas no cíclotron se aproxima da velocidade da luz, mais pesadas elas se tornam e começam a ficar gradualmente atrás do sinal de mudança da tensão elétrica nos dees. Eles não caem mais no tempo com as forças elétricas e param de acelerar. A energia limitante que pode ser comunicada às partículas em um cíclotron é de 25 a 30 MeV. Para ultrapassar esta barreira, a frequência da tensão eléctrica aplicada alternadamente aos dees é gradualmente reduzida, ajustando-a ao batimento das partículas "mais pesadas". Um acelerador desse tipo é chamado de sincrociclotron. Um dos maiores sincrociclotrons do Joint Institute for Nuclear Research em Dubna (perto de Moscou) produz prótons com energia de 680 MeV e dêuterons (núcleos pesados de hidrogênio - deutério) com energia de 380 MeV. Para isso, foi necessário construir uma câmara de vácuo com 3 metros de diâmetro e um eletroímã pesando 7000 toneladas! À medida que os físicos penetravam mais profundamente na estrutura do núcleo, eram necessárias partículas de energia cada vez mais altas. Tornou-se necessário construir aceleradores ainda mais poderosos - síncrotrons e sincrofasotrons, nos quais as partículas se movem não em espiral, mas em círculo fechado em uma câmara anular. Em 1944, independentemente um do outro, o físico soviético V.I. Veksler e o físico americano E.M. Macmillan descobriu o princípio do autophasing. A essência do método é a seguinte: se os campos forem selecionados de uma certa maneira, as partículas cairão automaticamente na fase com a tensão de aceleração o tempo todo. Em 1952, os cientistas americanos E. Courant, M. Livingston e H. Snyder propuseram o chamado foco rígido, que pressiona as partículas no eixo do movimento. Com a ajuda dessas descobertas, foi possível criar sincrofasotrons para energias arbitrariamente altas. Existe outro sistema de classificação para aceleradores - de acordo com o tipo de campo elétrico acelerador. Os aceleradores de alta tensão funcionam devido à alta diferença de potencial entre os eletrodos do espaço de aceleração, que fica ativo o tempo todo enquanto as partículas voam entre os eletrodos. Nos aceleradores de indução, um campo elétrico de vórtice "funciona", que é induzido (excitado) no local onde as partículas estão atualmente localizadas. E, finalmente, os aceleradores ressonantes utilizam um campo elétrico acelerador que varia em tempo e magnitude, sincronicamente com o qual, "em ressonância", todo o "conjunto" de partículas é acelerado. Quando as pessoas falam sobre aceleradores de partículas de alta energia modernos, eles se referem principalmente a aceleradores ressonantes de anel. Ainda em outro tipo de acelerador - próton - para energias muito altas, no final do período de aceleração, a velocidade das partículas se aproxima da velocidade da luz. Eles circulam em uma órbita circular com uma frequência constante. Aceleradores para prótons de alta energia são chamados de síncrotrons de prótons. Os três maiores estão localizados nos EUA, Suíça e Rússia. A energia dos aceleradores atualmente em operação atinge dezenas e centenas de gigaelectronvolts (1 GeV = 1000 MeV). Um dos maiores do mundo é o sincrofasotron de prótons U-70 do Instituto de Física de Altas Energias da cidade de Protvino, perto de Moscou, que entrou em operação em 1967. O diâmetro do anel de aceleração é de um quilômetro e meio, a massa total de 120 seções magnéticas atinge 20000 toneladas. A cada dois segundos, o acelerador atira em alvos com uma rajada de 10 à décima segunda potência de prótons com uma energia de 76 GeV (o quarto indicador do mundo). Para atingir essa energia, as partículas devem completar 400000 revoluções, percorrendo uma distância de 60000 quilômetros! Um túnel subterrâneo de vinte e um quilômetros de extensão para o novo acelerador também foi construído aqui. É interessante que os lançamentos de aceleradores em Dubna ou Protvino nos tempos soviéticos fossem realizados apenas à noite, pois eram abastecidos com quase toda a eletricidade não apenas em Moscou, mas também nas regiões vizinhas! Em 1973, físicos americanos colocaram em operação um acelerador na cidade de Batávia, no qual as partículas conseguiram transmitir uma energia de 400 GeV e depois a elevaram para 500 GeV. Hoje, o acelerador mais poderoso está localizado nos EUA. É chamado de "Tevatron" porque em seu anel com mais de seis quilômetros de comprimento, com a ajuda de ímãs supercondutores, os prótons adquirem uma energia de cerca de 1 teraelectronvolt (1 TeV é igual a 1000 GeV).
Para conseguir uma energia ainda maior de interação do feixe de partículas aceleradas com o material do objeto físico estudado, é necessário dispersar o “alvo” em direção ao “projétil”. Para fazer isso, organize a colisão de feixes de partículas voando em direção ao outro em aceleradores especiais - colisores. Obviamente, a densidade de partículas em feixes em colisão não é tão alta quanto no material de um "alvo" estacionário, então os chamados acumuladores são usados para aumentá-la. Estas são câmaras de vácuo anulares nas quais as partículas são lançadas "em porções" do acelerador. Os acumuladores são equipados com sistemas de aceleração que compensam a perda de energia das partículas. É com colisores que os cientistas associam o desenvolvimento de aceleradores. Até agora, apenas alguns deles foram construídos e estão localizados nos países mais desenvolvidos do mundo - nos EUA, Japão, Alemanha, bem como no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear, com sede na Suíça. Um acelerador moderno é uma "fábrica" para a produção de intensos feixes de partículas - elétrons ou prótons 2000 vezes mais pesados. O feixe de partículas do acelerador é direcionado para um "alvo" selecionado com base nas tarefas do experimento. Ao colidir com ele, uma variedade de partículas secundárias são produzidas. O nascimento de novas partículas é o objetivo dos experimentos. Com a ajuda de dispositivos especiais - detectores - essas partículas ou seus traços são registrados, a trajetória do movimento é restaurada, a massa das partículas, carga elétrica, velocidade e outras características são determinadas. Então, por processamento matemático complexo de informações recebidas dos detectores, toda a "história" de interação é restaurada em computadores e, comparando os resultados da medição com o modelo teórico, conclui-se se os processos reais coincidem ou não com o modelo construído . É assim que se obtém novos conhecimentos sobre as propriedades das partículas intranucleares. Quanto maior a energia adquirida pela partícula no acelerador, mais forte ela afeta o átomo "alvo" ou a contra partícula no colisor, menores serão os "fragmentos". Com a ajuda de um colisor nos Estados Unidos, por exemplo, estão sendo realizados experimentos com o objetivo de recriar em condições de laboratório o Big Bang, a partir do qual nosso universo supostamente teria começado. Físicos de vinte países participaram desse experimento ousado, entre os quais representantes da Rússia. O grupo russo no verão de 2000 participou diretamente do experimento, estava de plantão no acelerador e obteve dados. Aqui está o que um dos cientistas russos - participantes deste experimento - Candidato de Ciências Físicas e Matemáticas, Professor Associado do MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov, diz: "60 milhas de Nova York, em Long Island, o acelerador RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider - foi construído sobre íons relativísticos pesados. "Pesado" - já que este ano ele começou a trabalhar com feixes de núcleos de átomos de ouro. "Relativista" - também compreensível, estamos falando de velocidades em que os efeitos da relatividade especial se manifestam em todos sua glória. E o "collider" (de colidir - colidir) é chamado porque em seu anel há uma colisão de feixes de núcleos em colisão. A propósito, em nosso país não há aceleradores desse tipo. A energia que cai em um nucleon é de 100 GeV. Isso é muito - quase o dobro do alcançado antes. A primeira colisão física foi registrada em 25 de junho de 2000." A tarefa dos cientistas era tentar registrar um novo estado da matéria nuclear - plasma quark-glúon. "A tarefa é muito complicada", continua Emelyanov, "e matematicamente geralmente é incorreta: a mesma distribuição fixa de partículas secundárias em termos de momentos e velocidades pode ter causas completamente diferentes. E somente em um experimento detalhado que envolve muitos detectores , calorímetros, sensores de multiplicidade de partículas carregadas, contadores registrando radiação de transição, etc., há esperança de registrar as diferenças mais sutis inerentes ao plasma quark-gluon. pela primeira vez em laboratório explorar a origem do nosso universo." Autor: Musskiy S.A.
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