Hordaland, Kvam, Risbruelva

Os ancestrais, se assim podemos denominar, dos aceleradores de partículas atuais: cíclotrons, síncrotrons, sinsíncrotrons, aceleradores lineares, são anteriores aos canhões radioativos de Rutherford, localizados no período inicial da pesquisa da estrutura atômica da matéria, no canhão radioativo montado por uma amostra de: rádio, ou polônio, encerrado em uma cavidade de um bloco de chumbo, que ejetava um feixe de partículas alfa, utilizado para o bombardeamento de finas lâminas de metal ouro. Com essa técnica experimental, Rutherford prova que a matéria é um vazio, e comprova as dimensões do átomo clássico, no ano de 192050. J. Chadwick, descobre o nêutron, e melhora o modelo atômico de Rutherford e Bohr, em 1932, com um arranjo experimental semelhante àquele de Rutherford, bombardeando finas folhas de berílio, parafina, e amostras de boro e argônio, com partículas alfa51 52. Robert Gouiran relata na sua obra:

Particules e Accélerateurs, que o primeiro acelerador de partículas foi

utilizado por Crookes, e inventado por este pesquisador, em 1895. Crookes adaptou o aparelho inventado por John Thomson em 1895, para o estudo do sinal da carga e da relação carga e massa do elétron. No aparelho de Crookes um ânodo perfurado era acrescentado, através, do qual, os elétrons do feixe, após terem sido acelerados pela diferença de potencial entre cátodo aquecido, uma fonte de emissão termiônica, e o próprio ânodo perfurado, e uma placa de metal no final da trajetória do feixe de elétrons. No choque dos elétrons com a placa metálica no final do tubo há emissão de raios X53. Tecnicamente, entretanto, os aceleradores aceleram feixes de partículas provenientes de uma fonte de emissão, dispondo ao longo da trajetória destes, campos elétricos e magnéticos, e registrando a energia de colisão das

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J. Chadwick, “The Neutron”, Proceedings of The Royal Society, pp. 24-25.

50

Ernest Rutherford, “Nuclear Constitution of Atoms”, Proceedings of The Royal Society of

London, A, pp. 379-385.

51

J. Chadwick, “The Neutron”, Proceedings of The Royal Society, pp. 1-25.

52

J. Chadwick, “Existence of a Neutron”, Proceedings of The Royal Society, pp. 692-708.

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partículas, com aparelhos de medição, hoje muito mais sofisticados do que os aparelhos de medição utilizados por Rutherford e Chadwick54.

Como se depreende, nestes ancestrais dos modernos aceleradores, utilizava-se de fontes naturais de partículas. O primeiro acelerador artificial de partículas, capaz de quebrar os núcleos atômicos possibilitando o estudo destes, foi construído, em 1928, por C. C. Lauritsen e R. D. Bennett, no Instituto Tecnológico da Califórnia. Este acelerador empregava raios X para acelerar elétrons e íons positivos à energia de 750.000 elétrons volts. No ano de 1932, Lauritsen comunica a Sociedade de Física Americana que havia introduzido modificações que propiciariam acelerações fazendo com que as partículas atingissem energias cinéticas da ordem de um milhão e duzentos mil elétrons volts. No mesmo período histórico, Lawrence, Livingstone e Lewis, em 1933, desenvolvem um acelerador, em Berkeley, capaz de atingir a energia de dois milhões de elétrons volts, nos feixes iônicos. São contemporâneos, dos aceleradores de Lawrence e Lauritsen, os aceleradores de Tuve e Van der Graff, este último, um acelerador eletrostático. As energias projetadas de alguns milhões de elétrons volts, pelos aceleradores, baseavam-se em uma mecânica pré-ondulatória, e segundo os cálculos clássicos de alguns milhões de elétrons volts, para que um próton pudesse vencer a barreira de potencial eletrostático criado pelas três cargas do núcleo de um átomo de lítio. Com a interpretação de Oppenheimer, da mecânica quântica, previa-se que o próton poderia infiltra-se pela barreira de potencial do núcleo, de forma semelhante àquela com que o elétron escapa de uma superfície de um metal. Pensando assim, era possível prever uma colisão, ou emissão, a frio, com energias da ordem de cem mil elétrons volts, para determinadas desintegrações atômicas. Este princípio foi utilizado por Cockroft e Walton, de Cambridge, no projeto do acelerador que leva os seus nomes. Conforme a mecânica ondulatória de Oppenheimer, aplicando o princípio de penetração da barreira de potencial, nas equações de onda para as partículas, Cockroft e Walton descobrem que potenciais de cerca de 30.000 elétrons volts, eram suficientes para que prótons e íons de hidrogênio pudessem penetrar em um núcleo de átomo de lítio. Com possibilidade de

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obter colisões a frio, inicia-se uma série de experiências de desintegração e fusão atômicas, com balística de isótopos do hidrogênio: hidrogênio e deutério, tendo átomos de elementos leves como alvo. As colisões a baixas energias, entre íons de hélio e deutério propiciaram o estudo da emissão de nêutrons55.

O caminho histórico, no aperfeiçoamento tecnológico dos aceleradores, que conflui para os aceleradores atuais, reuniu recursos humanos especializados em diversos campos da física e da engenharia, intimamente ligados com a pesquisa e o desenvolvimento de equipamentos das indústrias. Em 2005, as pesquisas: pura e aplicada, em física de partículas, possibilitou uma íntima interação entre a geração de conhecimento científico e a sua utilização imediata na indústria de ponta. Aceleradores de partículas como os instalados em Stanford, o SLAC, ou o LHC do CERN, no seu projeto de construção já previam encomendas às indústrias de emprego de alta tecnologia: computadores de última geração, indústrias metalúrgicas, as indústrias de materiais elétricos e eletrônicos, entre outras, que tornaram viáveis, este campo da pesquisa em física56.

Pesquisando os objetos fundamentais da matéria, os pesquisadores em física de partículas, voltaram - se para o interior do núcleo, e nele encontraram as partículas básicas para as pesquisas. Emissão de radiação gama, pela captura de uma partícula alfa, e emissão de um nêutron, emissão de prótons e elétrons. Os feixes de prótons e de elétrons poderiam ser colimados e acelerados a altas energias, que no início da década de trinta, já superavam os milhões de elétrons volts, e que em meados da década que se inicia em 2001, atinge a ordem de alguns bilhões de elétrons volts57. Ao quebrar os núcleons: prótons e nêutrons, em busca da constituição destas partículas, os pesquisadores partiram de conceitos de dinâmica relativística, em colisão de partículas: a) a conservação do momento e b) a conservação da energia relativística. Dentro deste arcabouço teórico cabem os conceitos: de ângulo de colisão, e de espalhamento, elasticidade de colisão e centro de massa. Como são partículas subatômicas em velocidades relativísticas, o tratamento

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R. A. Millikan, Electrones (+ y -), Protones, Fotones, Neutrones Y Rayos Cósmicos, pp. 324-331.

56

Michel Ernst, Andreas Gellrich & Rainer Mankel, “D.E.S.Y.S. becomes hub for Grid-based HERA events”, C.E.R.N. Courier, pp. 19-20.

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quântico e relativístico é o requerido. Há uma intensa procura pela confirmação das teorias em: eletrodinâmica quântica, cromodinâmica quântica, as denominadas teorias de calibre, as teorias de unificação, gravitação quântica e teoria das supercordas. Os aceleradores foram desenvolvidos segundo os feixes de partículas em colisão. Um acelerador que tem como fonte de partículas, prótons, é denominado acelerador de colisão próton-próton. São estudados os produtos desta colisão, as subpartículas resultantes. Tanto o próton, como, o nêutron, são explicados segundo a teoria da cromodinâmica quântica como constituídos de quarks. As partículas que mantém os quarks unidos, no interior de um próton, são glúons. São seis os sabores para os quarks, significando seis subpartículas diferentes: up, down, strange, charm, bottom e top, este último ainda não descoberto experimentalmente; e três cores para os glúons: red, blue e green. A teoria da unificação da força de interação forte com a eletromagnética, teoria de Weimberg-Sallan-Glashow, prevê a existência dos bósons:

γ

, , 0 _W±

Z , aos quais, devem-se, acrescentar, pela teoria de Higgs, os bósons que tomam o seu nome, os bósons pesados de Higgs, que ainda não encontraram as respostas experimentais para a suas existências. As pesquisas dos objetos fundamentais constituintes dos hádrons foram durante estas últimas cinco décadas, efetuadas com aceleradores de colisão próton- próton58. Um outro campo de especialização, no estudo da estrutura da matéria, com os aceleradores de partículas, concentrou-se nos resultados da colisão de elétrons. Os aceleradores desta área de pesquisa são denominados aceleradores de colisão de: elétron - elétron, elétron - pósitron59. As outras possibilidades são aceleradores de colisão: pósitron - pósitron, elétron- próton, pósitron - próton, e futuros aceleradores: nêutron - nêutron, nêutron - próton, nêutron - elétron e nêutron - pósitron.

58

C. Jarlskog, “What can we learn from experiments whit accelerators and storage rings?”, in Herwig Schopper, ed., Advances of Accelerator Physics and Technologies, pp. 3-27.

59

D. W. Dupen, “History and Development”, in The Stanford Two-Mile Accelerator, R. B. Neal,