O que é um ciclotrão?

A história de física de partículas é uma história de procurar encontrar pedaços de matéria cada vez menores. À medida que os cientistas investigavam profundamente a composição do átomo, precisavam encontrar uma maneira de separá-lo para ver seus blocos de construção. Estes são chamados de "partículas elementares". Exigia muita energia para separá-los. Isso também significava que os cientistas tinham que criar novas tecnologias para fazer esse trabalho.

Para isso, eles criaram o ciclotrão, um tipo de acelerador de partículas que usa um campo magnético constante para reter partículas carregadas à medida que se movem cada vez mais rápido em um padrão espiral circular. Eventualmente, eles atingem um alvo, o que resulta em partículas secundárias para os físicos estudarem. Os ciclotrons têm sido usados ​​em experimentos físicos de alta energia há décadas e também são úteis em tratamentos médicos para câncer e outras condições.

O primeiro ciclotron foi construído na Universidade da Califórnia, Berkeley, em 1932, por Ernest Lawrence, em colaboração com seu aluno M. Stanley Livingston. Eles colocaram grandes eletroímãs em um círculo e, em seguida, criaram uma maneira de disparar as partículas através do ciclotrão para acelerá-las. Este trabalho rendeu a Lawrence o Prêmio Nobel de 1939 em Física. Antes disso, o principal acelerador de partículas em uso era um acelerador linear de partículas,

Desde o trabalho de Lawrence no ciclotrão, essas unidades de teste foram construídas em todo o mundo. A Universidade da Califórnia em Berkeley construiu vários deles para o seu Laboratório de Radiação, e a primeira instalação européia foi criada em Leningrado, na Rússia, no Instituto Radium. Outra foi construída durante os primeiros anos da Segunda Guerra Mundial, em Heidelberg.

O ciclotrão foi uma grande melhoria em relação ao linac. Ao contrário do projeto linac, que exigia uma série de ímãs e campos magnéticos para acelerar as partículas carregadas em uma linha reta, o benefício da circular O projeto era que o fluxo de partículas carregadas continuasse passando pelo mesmo campo magnético criado pelos ímãs repetidamente, ganhando um pouco de energia cada vez que assim. À medida que as partículas ganhavam energia, produziam loops cada vez maiores ao redor do interior do ciclotrão, continuando a ganhar mais energia a cada loop. Eventualmente, o loop seria tão grande que o feixe de elétrons de alta energia passaria pela janela, quando entrariam na câmara de bombardeio para estudo. Em essência, eles colidiram com um prato e espalharam partículas pela câmara.

O ciclotrão foi o primeiro dos aceleradores de partículas cíclicos e forneceu uma maneira muito mais eficiente de acelerar as partículas para estudos futuros.

Hoje, os ciclotrons ainda são usados ​​em certas áreas da pesquisa médica e variam em tamanho, desde projetos de mesa até tamanhos maiores. Outro tipo é o síncrotron acelerador, projetado na década de 1950, e é mais poderoso. Os maiores ciclotrons são os TRIUMF 500 MeV Ciclotron, que ainda está em operação na Universidade da Colúmbia Britânica, em Vancouver, British Columbia, Canadá e no anel supercondutor Cyclotron no laboratório Riken, no Japão. Tem 19 metros de diâmetro. Os cientistas os usam para estudar propriedades de partículas, de algo chamado matéria condensada (onde as partículas se aderem umas às outras.

Projetos mais modernos de aceleradores de partículas, como os do Large Hadron Collider, podem superar esse nível de energia. Esses chamados "esmagadores de átomos" foram construídos para acelerar as partículas muito próximas da velocidade da luz, à medida que os físicos pesquisam pedaços de matéria cada vez menores. A busca pelo Bóson de Higgs faz parte do trabalho do LHC na Suíça. Existem outros aceleradores no Laboratório Nacional Brookhaven em Nova York, no Fermilab em Illinois, no KEKB no Japão e outros. Estas são versões altamente caras e complexas do ciclotrão, todas dedicadas a entender as partículas que compõem a matéria no universo.