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Esta imagem mostra como o eixo da parte superior de um brinquedo se desvia em um caminho circular de seu alinhamento direto para cima e para baixo enquanto a parte superior gira em torno desse eixo. O conhecimento da taxa desse desvio, chamado precessão, dos prótons em rotação que viajam ao redor de um acelerador de partículas como o RHIC ajuda os físicos a manter as partículas alinhadas para experimentos que exploram as fontes de rotação de prótons. Crédito: Brookhaven National Laboratory
Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, desenvolveram uma maneira não invasiva de medir a "sintonia" dos prótons polarizados no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - um fator importante para manter o alinhamento dessas partículas em rotação.
A técnica é semelhante à maneira pela qual a ressonância magnética (RM) manipula a rotação de prótons para "ver" estruturas dentro do corpo. E, como a ressonância magnética, a técnica pode ser usada como uma ferramenta de "diagnóstico" - nesse caso, para melhorar o desempenho do colisor, à medida que explora como os componentes internos dos prótons contribuem para a rotação.
"Para entender como os blocos de prótons - quarks e glúons - contribuem para girar, colidimos feixes de prótons cujas direções individuais de rotação são" polarizadas ", o que significa alinhadas o máximo possível", disse Thomas Roser, chefe do Collider Accelerator da Brookhaven Lab Departamento. Mas forças externas e alguns métodos para medir desvios podem "despolarizar" os raios.
A nova técnica mede a magnitude e a frequência da precessão dos prótons - um desvio circular dos eixos dessas partículas giratórias do caminho perfeitamente alinhado - sem desestabilizar os feixes.
"Podemos medir a precessão de forma não invasiva à medida que o acelerador opera", afirmou Roser. "Isso nos fornece informações que podemos usar para fazer ajustes que mantêm os prótons alinhados".
O alinhamento de rotação de um próton oscila em torno da direção estável da rotação (seta preta sólida) entre os dois limites (setas vermelhas tracejadas) ao longo de muitas voltas em órbita. Crédito: Brookhaven National Laboratory
O que faz os prótons oscilarem
Com os feixes polarizados no RHIC - ou em qualquer acelerador circular - a direção média de rotação de cada grupo de prótons se alinha ao campo magnético do acelerador. Mas, como um pião que começa a oscilar, o eixo de um próton às vezes começa a girar em torno de um caminho circular que se desvia do alinhamento perfeito. Essa oscilação é conhecida como precessão.
Se alguma fonte externa, como pequenas imperfeições no campo magnético, sincronizar com a frequência da precessão, poderá amplificar a oscilação dos prótons e fazer com que o feixe se despolarize.
"Houve outras maneiras de medir a frequência da precessão, mas as técnicas usadas até hoje efetivamente causam a despolarização que essas medidas tentariam evitar", disse Roser. "Nosso novo método mede a frequência da precessão sem despolarizar o feixe, para que possamos fazer correções para manter os prótons alinhados - ou até virar a direção de rotação quando desejado".
O enigma da rotação de prótons: Os cientistas querem saber como diferentes constituintes do próton contribuem para sua rotação, uma propriedade fundamental que desempenha um papel na maneira como esses blocos de construção dão origem a quase toda a matéria visível no universo. As peças do quebra-cabeça incluem o momento angular orbital dos quarks e glúons (canto superior esquerdo), rotação do gluão (canto superior direito) e rotação do quark e antiquark (canto inferior). Crédito: Brookhaven National Laboratory
Roser explicou como a nova técnica funciona de maneira semelhante à maneira como as ressonâncias magnéticas funcionam: primeiro, um poderoso campo magnético alinha todos os spins dos prótons; depois, os cientistas aplicam um campo eletromagnético externo de frequência variável, procurando a frequência na qual os eixos dos prótons começam a funcionar. afastar-se do estábulo.
"É como sintonizar um botão de rádio à moda antiga para procurar uma estação", disse Roser. "A chave é chegar perto da frequência de tombamento sem desencadear a desestabilização".
Nas ressonâncias magnéticas, os sinais gerados pela precessão dos prótons fornecem informações sobre as estruturas internas do corpo. No RHIC, eles fornecem informações sobre como ajustar os ímãs do acelerador para manter a polarização do feixe.
A nova técnica levará a uma operação mais estável e otimizada no RHIC para pesquisa em física nuclear - e também poderá ser usada em um planejador de íons de elétron polarizado planejado para ser localizado nos Estados Unidos.
Explorar mais
Mais informações: H. Huang et al. Medição da sintonia de rotação usando o movimento de rotação coerente de prótons polarizados em um anel de armazenamento, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.204803
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA.A partir de 2019, tornou-se membro
da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
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objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
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