Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven, nos EUA, realizaram com sucesso o teste do canhão de elétrons mais potente já construído.
Esse dispositivo é fundamental para o desenvolvimento do primeiro Colisor Elétron-Íon (EIC) totalmente polarizado do mundo, uma futura instalação de física nuclear que investigará as estruturas mais fundamentais da matéria visível. O EIC irá acelerar e colidir elétrons polarizados com prótons e íons polarizados, que são átomos privados de seus elétrons.
O canhão de elétrons polarizados, alimentado por laser e operando em corrente contínua, será responsável por gerar e lançar os elétrons que irão percorrer os 3,8 km do colisor circular do EIC. Para entender sua potência, podemos comparar com a aceleração de automóveis, que medimos em “zero a 100 km/h” – sendo que os carros mais rápidos fazem isso em poucos segundos.
“No nosso caso, conseguimos acelerar elétrons a 80% da velocidade da luz, o que equivale a uma velocidade de mais de 800 milhões de quilômetros por hora. E fizemos isso em apenas cinco centímetros dentro do canhão, em cerca de dois décimos de bilionésimos de segundo,” explicou o professor Erdong Wang, responsável pelo projeto do canhão, no qual trabalha desde 2017.
Feixe de elétrons polarizados
A velocidade dos elétrons não é a única característica crucial quando eles são acelerados, especialmente porque, em estágios subsequentes, eles serão levados ainda mais próximos da velocidade da luz. O verdadeiro avanço do canhão de elétrons reside na capacidade de fornecer um feixe de partículas com características essenciais para suas interações no Colisor Elétron-Íon (EIC).
Um dos principais requisitos é a produção de feixes de elétrons curtos e densos, com os spins das partículas perfeitamente alinhados na mesma direção. Esse alinhamento é fundamental para maximizar a chance de colisão com prótons ou íons que estarão viajando no sentido oposto no colisor. Como explica o professor Erdong Wang, “ter muitos elétrons agrupados com densidade alta aumenta significativamente a probabilidade de colisões eficazes com prótons ou íons.”
A polarização, ou o alinhamento dos spins, é crucial para os objetivos científicos do EIC, que busca desvendar as origens do spin, uma propriedade intrínseca das partículas análoga ao giro de um pião em torno de seu eixo, gerando um momento magnético. O spin é responsável por propriedades fundamentais da matéria, como o magnetismo dos prótons, essencial para tecnologias como a ressonância magnética (MRI). No entanto, como o spin dos prótons é gerado internamente ainda é um mistério.
O EIC será o primeiro colisor do mundo a permitir o controle e alinhamento dos spins de feixes de elétrons e íons, possibilitando que os cientistas investiguem como o spin do próton surge dos spins e dos movimentos de suas partículas internas, os quarks e glúons.
Aceleração quase instantânea
A geração de feixes de elétrons remonta ao famoso efeito fotoelétrico, que demonstrou que luz com energia suficiente pode arrancar elétrons de um material. Foi essa explicação que rendeu a Albert Einstein o Prêmio Nobel de Física em 1921. Desde então, a ciência por trás dessa tecnologia avançou muito, mas o novo Colisor Elétron-Íon (EIC) exigia uma inovação ainda mais sofisticada.
Para atender a essas necessidades, os cientistas desenvolveram uma abordagem inédita para criar o cátodo fotossensível, que é a parte do canhão responsável por emitir elétrons. Utilizando um cristal ultrafino de arsenieto de gálio, a equipe modificou sua estrutura em camadas, criando o que chamam de super-rede periódica.
“Estamos falando de uma estrutura incrivelmente complexa, com uma super-rede de apenas 100 nanômetros de espessura sobre um material base de 0,4 milímetros,” explicou o professor Erdong Wang, líder do projeto.
Quando o laser, ajustado com precisão, atinge essa super-rede, ele expulsa apenas elétrons cujos spins estão perfeitamente alinhados, gerando feixes altamente polarizados. Embora esse material tenha uma excelente eficiência quântica, ou seja, seja muito eficaz em emitir elétrons sob iluminação, a energia inicial desses elétrons ainda é insuficiente para que eles se desprendam totalmente do cátodo.
É nesse ponto que entra o processo de aceleração dentro do canhão de elétrons. “Nós aplicamos uma alta voltagem ao cátodo e, quando o laser incide sobre o arsenieto de gálio, os elétrons são lançados em direção ao ânodo. Em apenas cinco centímetros, esses elétrons são acelerados de zero a 320 quiloelétrons-volt,” explicou Wang.
(Engenhariae)