Canhão acelera elétrons a 80% da velocidade da luz em 5cm

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/10/2024

O professor Erdong Wang, orgulhoso de sua criação: O canhão de elétrons de mais alta energia já construído que irá equipar o EIC.
[Imagem: Roger Stoutenburgh/Brookhaven National Laboratory]

Canhão de elétrons

Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven, nos EUA, testaram com sucesso o canhão de elétrons de mais alta energia já construído.

O canhão é uma peça-chave da tecnologia necessária para construir o primeiro Colisor Elétron-Íon (EIC) totalmente polarizado do mundo, uma instalação de física nuclear de próxima geração que deverá investigar os blocos de construção mais internos da matéria visível.

Para isso, a instalação irá acelerar e colidir elétrons polarizados com prótons e íons polarizados - átomos despojados de seus elétrons.

O canhão de elétrons polarizados de corrente contínua, acionado por laser, servirá como uma espécie de arremessador de partida para criar o fluxo de elétrons do EIC. Ele produzirá e disparará os elétrons que farão seu caminho para dentro e ao redor do colisor circular de 3,8 km de circunferência.

Para se ter uma ideia do poder de aceleração desse disparador, basta lembrar que os carros são comumente avaliados por suas taxas de aceleração de "zero a 100" (da imobilidade à velocidade de 100 km/h), com os melhores fazendo isto em poucos segundos.

"Nós aceleramos a velocidade dos elétrons para 80% da velocidade da luz. Isso equivale a uma aceleração de zero a mais de 800 milhões de quilômetros por hora - no intervalo de apenas cinco centímetros dentro do canhão, em cerca de dois décimos de bilionésimos de segundo," comparou o professor Erdong Wang, que projetou o canhão de elétrons e vem trabalhando nele desde 2017.

Canhão de elétrons polarizado: O conector de passagem de alta tensão (HV) em formato de cone fornece corrente para o canhão. Quando fótons do laser atingem o fotocátodo de arsenieto de gálio (GaAs), elétrons emitidos fluem do cátodo para o ânodo e para fora do canhão como um feixe de elétrons altamente polarizado (e-beam).
[Imagem: Erdong Wang/Brookhaven National Laboratory]

Feixe de elétrons polarizados

Mas a velocidade não é a única característica crucial dos elétrons quando as luzes se apagarem e eles partirem em sua arrancada - na verdade, eles serão levados muito mais perto da velocidade da luz em estágios subsequentes de aceleração.

O verdadeiro sucesso do canhão de elétrons está em fornecer características do feixe de elétrons que são essenciais para a capacidade dessas partículas de espiar dentro dos prótons e núcleos atômicos com os quais colidirão no EIC.

Entre os requisitos mais importantes destaca-se a necessidade de produzir feixes de elétrons em feixes curtos e compactados, onde os spins das partículas apontem na mesma direção. "Ter muitos, muitos elétrons em um único grupo resulta em densidades muito altas, então há uma grande probabilidade de que eles colidam com prótons ou íons no feixe que viaja ao redor do EIC na direção oposta," explicou o professor Wang.

A polarização, ou alinhamento dos spins das partículas, é extremamente importante para os objetivos das pesquisas que se deseja fazer: O colisor está sendo construído, entre outros objetivos, para explorar as origens do spin, uma propriedade intrínseca das partículas que é análoga ao giro de um pião de brinquedo em seu eixo, o que gera um momento magnético.

O spin é responsável pela estrutura e pela ordem de toda a matéria visível, governando, por exemplo, as propriedades magnéticas dos prótons que tornam a ressonância magnética (MRI) possível. Mas, como o spin do próton é gerado ainda é um mistério.

O EIC será o primeiro colisor do mundo onde os spins dos feixes de elétrons e íons poderão ser controlados e alinhados. Ao colidir elétrons polarizados por spin com prótons polarizados, os cientistas tentarão destrinchar como o spin do próton surge dos spins e do movimento de seus blocos de construção internos, os quarks e glúons.

É o estado-da-arte em termos de tecnologia, mas o princípio é simples, o efeito fotoelétrico, pelo qual a luz (linha ondulada) arranca elétrons (esferas violeta) do material fotoelétrico.
[Imagem: Erdong Wang/Brookhaven National Laboratory]

Aceleração quase instantânea

A ciência por trás da geração desses feixes de elétrons remonta à descoberta do efeito fotoelétrico, uma série de experimentos no final dos anos 1800 e início dos anos 1900 que mostrou que a luz com energia suficiente libera elétrons de um metal - foi a explicação desse efeito por Albert Einstein que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1921.

A tecnologia vem melhorando desde então, mas o novo colisor exigia mais.

A equipe, de várias instituições, desenvolveu então uma nova abordagem para fazer o cátodo fotossensível do canhão - o material que gera os elétrons fotoelétricos. Esse material é um cristal fino de arsenieto de gálio, mas a equipe ajustou a receita e organizou o material em camadas para dar a ele uma estrutura periódica.

"É uma estrutura muito complexa, uma superrede de 100 nanômetros sobre um material maciço com apenas 0,4 milímetro de espessura," descreveu Wang.

Quando um laser com propriedades precisamente ajustadas atinge as camadas, apenas elétrons com seus spins alinhados de uma maneira particular são ejetados do material. O resultado: feixes de elétrons altamente polarizados.

Embora o material tenha uma eficiência quântica muito alta, o que significa que ele é bom em emitir elétrons quando atingido pela luz, a energia desses elétrons emitidos é muito baixa, insuficiente até mesmo para fazê-los sair do cátodo. É aí que entram as etapas de arrancada, feita no próprio canhão de elétrons, e de aceleração, feitas a seguir.

"Primeiro, aplicamos a voltagem ao cátodo. Então, quando disparamos um laser na pastilha de arsenieto de gálio, o feixe de elétrons sai em direção ao ânodo. A energia do elétron vai de zero a 320 quiloelétrons-volt no espaço da lacuna - cerca de cinco centímetros," contou Wang.

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