quinta-feira, 16 de junho de 2011

Câmara de Bolhas

O Nobel da Física de 1960 foi concedido ao físico norte-americano Donald Arthur Glaser, pela sua invenção da câmara de bolhas, feita em 1952. Glaser nasceu em Cleveland em 1926 e foi educado em escolas públicas do Ohio. Formou-se em física e em matemática em 1946. Chegou a ser professor da Universidade da Califórnia, fazendo pesquisas sobre partículas elementares da física e partículas estranhas. A sua curiosidade pela biologia molecular levou-o, porém, a mudar o rumo das suas pesquisas, tendo-se dedicado a estudos sobre o ADN. e à indústria biotecnológica.

Uma câmara de bolhas é constituída por um recipiente preenchido por um líquido transparente em alta temperatura. O líquido pode ser hidrogénio ou uma mistura de hidrogénio e néon, que atingem temperaturas da ordem de 30 K. O objectivo é detectar o movimento de partículas carregadas através da câmara. Isto é possível porque, quando as partículas penetram na câmara, interagem com os átomos do líquido ao longo da sua trajectória  acabando por os ionizar. Liberta-se então energia e as partículas começam a “ferver”.

O funcionamento básico de uma câmara de bolhas é o seguinte: faz-se chegar à câmara um feixe de partículas através de um acelerador. O líquido é mantido a uma pressão de cerca de 2 atm para estar sobreaquecido. A chegada das partículas electricamente carregadas na câmara provoca a ionização dos átomos do líquido (já que depositam neles a sua energia) e a elevação na temperatura ao longo do percurso. As partículas também podem chocar com o núcleo dos átomos do líquido, originando a formação de caminhos de bolhas no líquido. Estas bolhas são os “objectos” de interesse na experiência. Ao formarem-se, crescem até atingirem um diâmetro da ordem de 1 mm. Quando isto acontece, são tiradas fotografias com flash de vários ângulos para que as interacções possam ser reconstruídas em três dimensões. Assim, dá-se um novo aumento na pressão do líquido e espera-se até o sistema voltar à situação de estabilidade para voltar a bombardeá-lo com um feixe de partículas carregadas. Dependendo do objectivo e das necessidades da experiência, o tempo de espera até que se possa  “ligar” de novo o feixe pode variar entre 1 s e 1 min, o que pode ser muito tempo se forem precisos milhões de feixes para analisar as interacções.

A física das partículas tenta entender os blocos fundamentais e o modo como eles interagem entre si. Em muitas experiências, trabalha-se com um acelerador (um instrumento onde se obtêm feixes de partículas carregadas) e um alvo pré-definido, onde há colisões das partículas com os núcleos atómicos. Registam-se então os produtos da interacção partículas-núcleo através de um detector. A câmara de bolhas de Donald Glaser inovou no sentido em que funciona ao mesmo tempo como alvo e como detector. Neste sentido, os protões do núcleo são os alvos e os electrões permitem a detecção. É como o rasto de vapor deixado no ar pelos aviões: tem-se a posição e a trajectória das partículas registadas em cada instante a partir da análise das bolhas no líquido.

A análise das fotografias tiradas permite estabelecer valores bem definidos para a energia E e para o momento p (p_x, p_y, p_z) produzidos por cada partícula nas colisões com os átomos do líquido. Os cálculos são feitos em computadores. Algumas experiências permitem concluir que a energia e o momento final são menores do que no início das interacções, o que mostra que houve libertação de partículas neutras. O momento das partículas carregadas é obtido pela medida da curvatura das trajectórias em fotografias. Se as partículas carregadas pararem ainda dentro da câmara de bolhas, pode saber-se a energia cinética pela distância que percorreram. Os neutrões não podem ser detectados pelas câmaras de bolhas porque são electricamente neutros e não exercem nenhuma força nos electrões do líquido. A razão para o uso de hidrogénio líquido deve-se ao facto de esse elemento possuir o núcleo mais simples (se se utilizassem outros, não se teria a certeza se as partículas colidiam com um protão ou com um neutrão).

A câmara de bolhas foi fundamental na descoberta de partículas cuja existência ajudou a criar o modelo de quark. Entretanto, a tecnologia avançou significativamente nas últimas décadas e, actualmente, usam-se detectores mais modernos. O aprimoramento dos aparelhos que usam o princípio da câmara de bolhas permitiu transformá-la num detector de WIMPs, sigla em inglês para partículas massivas de interação fraca, que podem resolver o problema da matéria negra.

Um projecto importante relacionado com a câmara de bolhas foi realizado no CERN em 1970. Intitulado Big European Bubble Chamber (BEBC), o recipiente contendo o líquido tinha 3,7 m de diâmetro. Porém, esse instruumento já não está em funcionamento, sendo agora uma peça no museu de física das partículas do CERN.

Bianca de Quadros Cerbaro

Bibliografia

- http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2005/bubble_chambers/BCwebsite/index.htm Acesso em 18 de maio de 2011.
- http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1960/glaser-bio.html Acesso em 18 de maio de 2011.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Donald_A._Glaser Acesso em 18 de maio de 2011.

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