Anti-Big Bang cria novo tipo de acelerador de partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/05/2018

Vista esquemática de uma implosão de microbolhas, mostrando a totalidade dos eventos principais integrados, isto é, a iluminação por laser, a dispersão de elétrons quentes, a implosão e a emissão de prótons.[Imagem: M. Murakami]

Acelerador de partículas

Físicos japoneses descobriram um fenômeno físico de altíssima energia que lança as primeiras luzes sobre fenômenos espaciais de grandes escalas de tempo e espaço, até agora inexplicados, e que terá importantes aplicações aqui na Terra, principalmente na área de saúde e ciência dos materiais.

Masakatsu Murakami e seus colegas da Universidade de Osaka afirmam que o fenômeno, batizado de "implosão de microbolhas", se parece com um Big Bang ao contrário e é essencialmente diferente de qualquer princípio de aceleração de partículas previamente descoberto ou proposto.

O mecanismo pode explicar a origem dos até agora inexplicáveis aceleradores naturais de partículas, detectados em 2009 em escala galáctica.

Compressão a laser

Tudo começa com a tecnologia de compressão de pulsos de laser, inventada no final da década de 1980, que consiste em técnicas que liberam o laser em curtos pulsos de alta potência - os chamados lasers pulsados - aumentando a intensidade do laser em até 10 milhões de vezes. Esta técnica está sendo usada, por exemplo, em experimentos de fusão nuclear.

Murakami e seus colegas usaram um laser desse tipo para comprimir a matéria até um nível sem precedentes, atingindo uma densidade comparável à da matéria do tamanho de um cubo de açúcar pesando mais de 100 quilogramas.

Quando pressão induzida pelo laser chegou a esse nível, a equipe detectou a emissão de prótons - íons de hidrogênio - de alta energia a partir de aglomerados em nanoescala positivamente carregados, essencialmente um novo mecanismo de aceleração de partículas nunca antes visto ou teorizado.

Esses íons de hidrogênio de energia super alta - também conhecidos como prótons relativísticos - são emitidos no momento em que o laser incide sobre hidretos com bolhas esféricas, bolhas estas com dimensões na faixa dos micrômetros, fazendo as bolhas encolherem até dimensões atômicas.

Pelo que se sabia até agora, seria necessária uma distância de aceleração de dezenas a centenas de metros para que os aceleradores pudessem gerar uma energia tão grande.

Este é o nanopulsar criado pela equipe - implosões e expansões repetidas criam um acelerador de partículas inédito. [Imagem: M. Murakami]

Oposto do Big Bang e nanopulsar

A implosão de uma microbolha gera um movimento iônico inédito, no qual os íons viajam à metade da velocidade da luz e convergem para um único ponto no espaço - um fenômeno que se parece com o oposto do Big Bang, disse Murakami.

Repetindo o processo, ou seja, emitindo pulsos seguidos de laser sobre o material, a equipe criou o que eles chamam de um "nanopulsar", um aglomerado de matéria de alta densidade, só que em nanoescala, emitindo partículas relativísticas de alta energia - um pulsar é uma estrela de nêutrons giratória que emite pulsos regulares de radiação em dois feixes simétricos, parecida com um farol.

Aplicações científicas e tecnológicas

A equipe destaca que este novo conceito ajudará a esclarecer a física espacial de grandes escalas de tempo e espaço, como as origens dos prótons de alta energia que se movem nas estrelas e no espaço, ou mesmo perto de planetas gigantes - recentemente se descobriu um acelerador de partículas natural ao redor de Saturno.

Além disso, compondo uma fonte compacta de radiação de nêutrons através da fusão nuclear, este conceito será utilizado em uma variedade de aplicações em tratamentos médicos e na indústria, como a radioterapia de prótons para tratar o câncer, o desenvolvimento da geração de energia pela fusão nuclear a laser, o desenvolvimento de novas substâncias e ferramentas de análise para melhoria das células de combustível.

• Fusão nuclear fica um pouco mais próxima da realidade

Bibliografia:

Generation of ultrahigh field by micro-bubble implosion
Masakatsu Murakami, A. Arefiev, M. A. Zosa
Nature Scientific Reports
DOI: 10.1038/s41598-018-25594-3