Como funcionam os aceleradores de partículas e para que servem?

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Imagine poder viajar no tempo até os primeiros instantes do Universo ou visualizar a estrutura de um vírus para criar um novo medicamento. Embora a máquina do tempo ainda seja ficção científica, cientistas de todo o mundo utilizam ferramentas monumentais que nos permitem espiar os segredos mais bem guardados da matéria: os aceleradores de partículas.

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Essas máquinas, que podem ter quilômetros de extensão, são verdadeiros laboratórios do invisível, sendo extremamente importantes para descobrir os segredos da matéria. Mas, afinal, como os aceleradores de partículas funcionam e para que servem na prática?

Como funciona um acelerador de partículas?

De forma simplificada, um acelerador de partículas é uma máquina projetada para pegar partículas subatômicas – como prótons e elétrons – e acelerá-las a velocidades próximas à da luz. O princípio por trás dessa proeza é a utilização de campos elétricos e magnéticos. Pense nos campos elétricos como uma série de “empurrões” que aumentam a velocidade das partículas. À medida que as partículas carregadas passam por cavidades de radiofrequência, elas recebem pulsos de energia que as impulsionam para frente.

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Para manter essas partículas em uma trajetória controlada, entram em cena os campos magnéticos, gerados por ímãs supercondutores extremamente potentes. Em aceleradores circulares, como o famoso Grande Colisor de Hádrons (LHC), na fronteira franco-suíça, esses ímãs curvam a trajetória das partículas, forçando-as a girar em um anel por bilhões de vezes, ganhando mais energia a cada volta.

Em aceleradores lineares, os ímãs atuam como lentes, focando o feixe de partículas para que ele não se disperse. Todo o processo ocorre dentro de tubos com um vácuo altíssimo para evitar que as partículas colidam com moléculas de ar.

Síncrotron Super Próton, acelerador de partículas mais antigo do CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear). Crédito: CERN

O grande objetivo de acelerar essas partículas é colidi-las. Ao promover choques frontais entre dois feixes de partículas ou contra um alvo fixo, os cientistas recriam, por uma fração de segundo, condições de energia semelhantes às que existiam logo após o Big Bang.

A energia da colisão se transforma em massa, dando origem a uma vastidão de outras partículas, muitas delas raras e instáveis, que não existem no nosso cotidiano. Detectores gigantescos e ultrassensíveis registram cada detalhe desse evento, permitindo que os físicos estudem os “tijolos” fundamentais que compõem tudo o que existe e as forças que os unem.

Afinal, para que serve um acelerador de partículas?

Os usos dessa tecnologia, no entanto, vão muito além da física fundamental. Na medicina, essas super máquinas são utilizadas para produzir isótopos radioativos para exames de imagem, como o PET scan, e em radioterapias de alta precisão para tratar o câncer, onde feixes de partículas são direcionados para destruir tumores com danos mínimos aos tecidos saudáveis ao redor.

Vista aérea do acelerador de partículas Sirius, no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas, São Paulo. Imagem: CNPEM / Divulgação

No Brasil, o acelerador de partículas Sirius, em Campinas, gera uma luz síncrotron – um tipo de radiação de altíssimo brilho – que funciona como um super microscópio, permitindo a análise da estrutura atômica de materiais. Isso impulsiona o desenvolvimento de novos fármacos, fertilizantes mais eficientes, baterias de longa duração e ligas metálicas mais resistentes.