O que é um Síncrotron?

Vista de alto ângulo de um síncrotron em um laboratório, California Institute of Technology, Pasadena, CA. Imagens SuperStock/Getty

UMA síncrotron é um projeto de um acelerador de partículas cíclico, no qual um feixe de partículas carregadas passa repetidamente através de um campo magnético para ganhar energia em cada passagem. À medida que o feixe ganha energia, o campo se ajusta para manter o controle sobre o caminho do feixe conforme ele se move ao redor do anel circular. O princípio foi desenvolvido por Vladimir Veksler em 1944, com o primeiro síncrotron de elétrons construído em 1945 e o primeiro próton síncrotron construído em 1952.

Como funciona um síncrotron

O síncrotron é uma melhoria no ciclotron , que foi projetado na década de 1930. Nos ciclotrons, o feixe de partículas carregadas se move através de um campo magnético constante que guia o feixe em um caminho em espiral e, em seguida, passa por um campo eletromagnético constante que fornece um aumento de energia a cada passagem pelo campo. Essa colisão na energia cinética significa que o feixe se move através de um círculo um pouco mais amplo na passagem pelo campo magnético, recebendo outra colisão e assim por diante até atingir os níveis de energia desejados.

A melhoria que leva ao síncrotron é que em vez de usar campos constantes, o síncrotron aplica um campo que muda no tempo. À medida que o feixe ganha energia, o campo se ajusta de acordo para manter o feixe no centro do tubo que contém o feixe. Isso permite maiores graus de controle sobre o feixe, e o dispositivo pode ser construído para fornecer mais aumentos de energia ao longo de um ciclo.

Um tipo específico de projeto de síncrotron é chamado de anel de armazenamento, que é um síncrotron projetado com o único propósito de manter um nível de energia constante em um feixe. Muitos aceleradores de partículas usam a estrutura principal do acelerador para acelerar o feixe até o nível de energia desejado e, em seguida, transferi-lo para o anel de armazenamento para ser mantido até que possa colidir com outro feixe que se mova na direção oposta. Isso efetivamente dobra a energia da colisão sem ter que construir dois aceleradores completos para obter dois feixes diferentes até o nível de energia total.

Principais Síncrotrons

O Cosmotron era um síncrotron de prótons construído no Laboratório Nacional de Brookhaven. Foi comissionado em 1948 e atingiu força total em 1953. Na época, era o dispositivo mais poderoso construído, prestes a atingir energias de cerca de 3,3 GeV, e permaneceu em operação até 1968.

A construção do Bevatron no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley começou em 1950 e foi concluída em 1954. Em 1955, o Bevatron foi usado para descobrir o antipróton, uma conquista que rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1959. (Nota histórica interessante: era chamado de Bevatraon porque atingia energias de aproximadamente 6,4 BeV, para 'bilhões de elétron-volts'. unidades SI , no entanto, o prefixo giga- foi adotado para esta escala, então a notação mudou para GeV.)

O acelerador de partículas Tevatron no Fermilab era um síncrotron. Capaz de acelerar prótons e antiprótons a níveis de energia cinética ligeiramente inferiores a 1 TeV, foi o acelerador de partículas mais poderoso do mundo até 2008, quando foi superado peloGrande Colisor de Hádrons. O acelerador principal de 27 quilômetros do Large Hadron Collider também é um síncrotron e é capaz de atingir energias de aceleração de aproximadamente 7 TeV por feixe, resultando em colisões de 14 TeV.