Para físicos que desejam estudar as partículas subatômicas que são os blocos básicos de construção do universo e aprender como elas interagem, um acelerador de partículas - um dispositivo enorme que acelera e energiza as partículas e faz com que elas colidam - é uma ferramenta realmente importante. Imagine um acelerador como um microscópio do tamanho de uma montanha, capaz de estudar as menores coisas que existem.

"Os aceleradores são os microscópios definitivos, "Mark J. Hogan, um físico do SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia, explica em um e-mail. "Seu poder de resolução é proporcional à energia dos feixes de partículas. As máquinas atuais que operam na fronteira de energia são monumentos da engenharia humana. Essas máquinas têm dezenas de quilômetros de extensão, mas controlam seus feixes em frações do diâmetro de um fio de cabelo humano. "

É por isso que com um acelerador, maior sempre foi melhor. Se você é mesmo um aficionado por ciência casual, você provavelmente já ouviu falar do acelerador big daddy de todos eles, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN, Laboratório de física de partículas da Europa perto de Genebra, Suíça. Possivelmente a máquina mais complexa já criada, o LHC tem um enorme, Trilha de 27,35 quilômetros que usa para acelerar partículas. Os cientistas usaram o LHC em 2012 para observar o Bóson de Higgs, uma partícula que ajuda a explicar por que outras partículas têm massa e por que as coisas se mantêm juntas.

Menor e menos caro

Um problema com aceleradores de partículas realmente grandes, no entanto, é que eles são incrivelmente caros e consomem grandes quantidades de eletricidade. O LHC, por exemplo, custou $ 4,1 bilhões apenas para construir. Portanto, o que os físicos realmente adorariam ter é uma maneira de realizar o trabalho que não seja tão grande e cara.

É por isso que tem havido tanta empolgação com a notícia de que os pesquisadores do CERN testaram com sucesso uma nova forma de acelerar elétrons a altas energias por meio da aceleração de wakefield de plasma conduzida por prótons. O método envolve o uso de aglomerados intensos de prótons para gerar ondas no plasma, uma sopa de átomos ionizados. Os elétrons então viajam nas ondas para acelerar, como se fossem surfistas em escala subatômica.

Em um teste executado com o Experimento Wakefield Avançado (AWAKE) em maio, Os pesquisadores do CERN conseguiram usar o método para acelerar elétrons a energias de 2 gigaeletronvolts (GeV) em uma distância de 10 metros (32,8 pés).

Aqui está um vídeo em que Edda Gschwendtner, Líder de projeto do CERN AWAKE, explica o conceito de aceleradores, e por que um acelerador de wakefield de plasma impulsionado por proteína é um grande avanço:

Outros pesquisadores saudaram a conquista do CERN. "Essa técnica poderia permitir que as instalações do CERN tivessem uma nova maneira compacta de produzir elétrons de alta energia que poderiam colidir com alvos fixos ou feixes de prótons para criar uma nova ferramenta para os físicos de partículas entenderem as partículas fundamentais e as forças que governam suas interações, "Hogan diz.

"Este resultado é importante para o futuro da física de alta energia, pois pode abrir um caminho para um acelerador de elétrons compacto de 1 TeV com base na aceleração de campo de plasma de vigília, "explica James Rosenzweig, professor de dinâmica de acelerador e feixe na UCLA, e diretor do Laboratório de Física de Feixes de Partículas da universidade. "Do ponto de vista da introdução de princípios físicos, este experimento é o primeiro - ele apresenta campos de vigília de plasma excitados por feixes de prótons.

"A principal vantagem encontrada em aceleradores de plasma é encontrada nos grandes campos elétricos acelerados que podem ser suportados - até 1, 000 vezes maior do que em aceleradores convencionais. O uso de prótons, em princípio, permite feixes com energia total disponível muito maior para aceleração, "Rosenzweig diz por e-mail.

A equipe de Hogan no SLAC desenvolveu um método diferente de aceleração de wakefield de plasma, que se baseia em feixes de elétrons inseridos no plasma para criar ondas nas quais outros elétrons podem viajar. Mas seja qual for o método usado, O plasma oferece uma maneira de superar as restrições dos aceleradores convencionais.

"Com toda a sua precisão e sucesso, no entanto, essas máquinas estão se aproximando dos limites de tamanho e custo que a sociedade pode pagar, "Hogan diz." Para máquinas que aceleram elétrons, o tamanho está relacionado à taxa máxima com que podemos adicionar energia às partículas. Usando tecnologias convencionais com estruturas metálicas, não podemos aumentar ainda mais essa taxa, pois os campos se tornam tão grandes que os materiais se rompem sob as forças extremas. Um plasma, um gás ionizado, já está dividido e pode suportar campos muito maiores e, quando manipulado corretamente, pode adicionar energia a feixes de partículas em uma taxa muito maior e, portanto, em princípio, chegar à fronteira de energia em uma pegada menor.

"Muitos grupos mostraram que podemos usar plasmas para fazer feixes energéticos de elétrons, "diz Hogan." Grande parte da próxima geração de pesquisas é voltada para demonstrar que podemos fazer isso ao mesmo tempo em que fabricamos vigas com qualidade e estabilidade equivalentes às tecnologias convencionais. Outras questões de pesquisa estão pensando em como encadear muitas células plasmáticas consecutivas juntas consecutivamente para alcançar energias muito altas. Desafios adicionais são entender como acelerar pósitrons, a antimatéria equivalente aos elétrons em um plasma. Olhando para a frente, muitos grupos, incluindo meus colegas no SLAC, espero desenvolver feixes de alta energia com qualidades superiores que abrirão as portas para novos instrumentos científicos na próxima década e além. "

Um porta-voz do AWAKE disse à revista Science que os pesquisadores esperam desenvolver a tecnologia nos próximos cinco anos, a ponto de poder ser usado para pesquisas em física de partículas.

Conforme os detalhes da revista Horizon da União Europeia, os cientistas também imaginaram construir um acelerador de partículas convencional três vezes o tamanho do LHC. O dispositivo teria a capacidade de esmagar partículas, energizando-as com o equivalente a 10 milhões de raios.