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Três laboratórios nacionais alcançam recorde de campo magnético para o ímã de foco do acelerador
Caros Leitores;
Esse novo ímã alcançou a maior força de campo já registrada para um acelerador de foco. Projetado e construído pelo Fermilab, pelo Laboratório Nacional Brookhaven e pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, será o primeiro ímã quadrupolo de nióbio e estanho a operar em um acelerador de partículas - neste caso, o futuro Collider Hadron Grande de Alta Luminosidade no CERN. Crédito: Dan Cheng, Lawrence Berkeley National Laboratory
Em um esforço plurianual envolvendo três laboratórios nacionais dos Estados Unidos, os pesquisadores construíram e testaram com sucesso um novo e poderoso ímã baseado em um material supercondutor avançado. O dispositivo de oito toneladas - aproximadamente o tamanho de um reboque de semi-caminhão - estabeleceu um recorde para a maior força de campo já registrada para um ímã de foco do acelerador e eleva o padrão para ímãs que operam em coletores de partículas de alta energia.
O Fermilab, o Laboratório Nacional Brookhaven e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia projetaram, construíram e testaram o novo ímã, um dos 16 que eles fornecerão para operação no Colisor de Hadron Grande de Alta Luminosidade no laboratório CERN na Europa. Os 16 ímãs, juntamente com outros oito produzidos pelo CERN, servem como "ótica" para partículas carregadas: eles focalizarão feixes de prótons em um ponto minúsculo e infinitesimal à medida que se aproximarem de uma colisão dentro de dois detectores de partículas diferentes.
O ingrediente que diferencia esses ímãs produzidos nos EUA é o nióbio-estanho - um material supercondutor que produz fortes campos magnéticos. Esses serão os primeiros ímãs de quadrupolo de nióbio e estanho a operar em um acelerador de partículas.
Como o atual Large Hadron Collider, seu sucessor de alta luminosidade esmagará feixes de prótons que cruzam o anel de 27 quilômetros próximo à velocidade da luz. O HL-LHC oferecerá um soco adicional: fornecerá 10 vezes as colisões possíveis no LHC atual. Com mais colisões, surgem mais oportunidades para descobrir nova física.
E os novos ímãs de foco da máquina ajudarão a alcançar esse salto na luminosidade fornecida.
"Demonstramos que esse primeiro ímã quadrupolo se comporta com sucesso e de acordo com o design, com base no esforço de desenvolvimento plurianual possibilitado pelos investimentos do DOE nessa nova tecnologia", disse o cientista do Fermilab Giorgio Apollinari, chefe do Projeto de Atualização do Acelerador dos EUA, que lidera o projeto de ímã de foco baseado nos EUA.
"É um ímã de ponta, realmente na ponta da tecnologia de ímãs", disse Kathleen Amm, cientista do Laboratório Nacional de Brookhaven, representante da Brookhaven para o Projeto de Atualização do Acelerador.
O que o torna bem-sucedido é sua impressionante capacidade de foco.
Foco, ímãs, foco
Em coletores circulares, dois feixes de partículas correm ao redor do anel em direções opostas. Um instante antes de atingirem o ponto de colisão, cada feixe passa por uma série de ímãs que focalizam os feixes de partículas em um ponto minúsculo e infinitesimal, da mesma forma que as lentes focalizam os raios de luz em um ponto. Agora, tão compactos de partículas quanto os ímãs podem atingi-los - esmagam-se! - os raios colidem.
A fecundidade científica desse esmagamento depende da densidade do feixe. Quanto mais partículas estiverem aglomeradas no ponto de colisão, maior a chance de colisões de partículas.
Você obtém essas vigas bem compactadas, aprimorando o foco do ímã. Uma maneira de fazer isso é ampliar a lente. Considere a luz:
"Se você tentar focar a luz do sol usando uma lente de aumento em um ponto pequeno, deseje ter uma lente de aumento mais 'poderosa'", disse Ian Pong, cientista do Berkeley Lab e um dos gerentes de contas de controle.
Uma lupa maior focaliza mais os raios solares do que os menores. No entanto, os raios de luz na borda externa da lente precisam ser curvados com mais nitidez para se aproximar do mesmo ponto focal
Vídeo: https://youtu.be/luFkMn4ONBY
O CERN LHC é o maior acelerador de partículas do mundo e é conhecido principalmente por sua descoberta do Bóson de Higgs. No entanto, o LHC funcionará por mais duas décadas e coletará uma enorme quantidade de dados. O Fermilab está fortemente envolvido nas atualizações necessárias para tornar o acelerador e o detector solenóide Compact Muon uma potência de descoberta física no futuro próximo. Crédito: Fermi National Accelerator Laboratory
Ou considere um grupo de arqueiros atirando flechas em uma maçã: mais flechas grudarão se os arqueiros atirarem de cima, abaixo e de ambos os lados da maçã do que se estiverem posicionados em um poste, disparando da mesma posição.
O análogo do tamanho da lente de aumento e da matriz do arqueiro é a abertura do ímã - a abertura da passagem que o feixe toma ao passar pelo interior do ímã. Se o feixe de partículas puder começar amplo antes de ser focado, mais partículas chegarão ao ponto focal pretendido - o centro do detector de partículas.
A equipe dos EUA aumentou a abertura do ímã de foco do LHC para 150 milímetros, mais do que o dobro da abertura atual de 70 milímetros.
Mas é claro que uma abertura maior não é suficiente. Ainda existe a questão de realmente focar o feixe, o que significa forçar uma mudança dramática no tamanho do feixe, de amplo para estreito, no momento em que o feixe atinge o ponto de colisão. E isso requer um ímã excepcionalmente forte.
"O ímã precisa apertar o feixe com mais força do que os ímãs atuais do LHC, a fim de criar a luminosidade necessária para o HL-LHC", disse Apollinari.
Para atender à demanda, os cientistas projetaram e construíram um ímã de foco muscular, calculando que, na abertura necessária, ele teria que gerar um campo superior a 11,4 teslas. Isso é superior ao atual campo de 7,5 tesla gerado pelos ímãs quadrúolos de LHC à base de nióbio e titânio. (Para especialistas em aceleradores: a meta de luminosidade integrada do HL-LHC é de 3.000 femtobarns inversos.)
Em janeiro, o primeiro ímã de foco HL-LHC da equipe de três laboratórios entregou acima do desempenho da meta, atingindo um campo de 11,5 tesla e funcionando continuamente nessa força por cinco horas seguidas, exatamente como funcionaria quando o LHC de alta luminosidade fosse iniciado em 2027.
"Esses ímãs são atualmente os ímãs de foco de campo mais alto nos aceleradores, como existem hoje", disse Amm. "Estamos realmente avançando para campos mais altos, o que nos permite obter luminosidades mais altas".
O novo ímã de foco foi um triunfo, graças ao nióbio-estanho.
Nióbio-estanho pela vitória
Os ímãs de focagem no LHC atual são feitos com nióbio-titânio, cujo limite de desempenho intrínseco é geralmente reconhecido como atingido de 8 a 9 teslas em aplicações de aceleradores.
O HL-LHC precisará de ímãs com cerca de 12 teslas, cerca de 250.000 vezes mais fortes que o campo magnético da Terra em sua superfície.
"Então, o que você faz? Você precisa ir a um condutor diferente", disse Apollinari.
Os especialistas em ímãs do acelerador vêm experimentando nióbio-estanho há décadas. A corrente elétrica que passa através de um supercondutor de nióbio e estanho pode gerar campos magnéticos de 12 teslas ou mais - mas somente se o nióbio e o estanho, uma vez misturados e tratados termicamente para se tornarem supercondutores, podem permanecer intactos
Fabricantes de ímãs: Três laboratórios dos EUA estão construindo ímãs poderosos para o maior colisor poderoso do mundo. Crédito: Berkeley Lab
"Depois que eles reagem, torna-se um supercondutor bonito que pode transportar muita corrente, mas também se torna quebradiço", disse Apollinari.
Famosamente quebradiço
"Se você dobra demais, até um pouco, uma vez que é um material reagido, soa como flocos de milho", disse Amm. "Você realmente ouve quebrar."
Ao longo dos anos, cientistas e engenheiros descobriram como produzir um supercondutor de nióbio e estanho de uma forma que seja útil. Garantir que ele se manteria como a estrela de um ímã de foco do HL-LHC foi outro desafio.
Especialistas em Berkeley, Brookhaven e Fermilab fizeram isso acontecer. O processo de montagem é uma operação delicada e equilibrada, que equilibra a fragilidade do nióbio-estanho contra as enormes mudanças de temperatura e pressão por que ele se torna o principal participante de um futuro ímã de colisão.
O processo começa com fios contendo filamentos de nióbio ao redor de um núcleo de estanho, fornecidos por um fabricante externo. Os fios são então fabricados em cabos em Berkeley da maneira certa. As equipes de Brookhaven e Fermilab enrolam esses cabos em bobinas, com cuidado para evitar deformar excessivamente. Eles aquecem as bobinas em um forno em três estágios de temperatura, um tratamento que leva mais de uma semana. Durante o tratamento térmico, o estanho reage com os filamentos para formar o frágil nióbio-estanho.
Depois de reagir no forno, o nióbio-estanho agora é mais frágil, por isso é tratado com cuidado à medida que a equipe o cura, incorporando-o em uma resina para se tornar uma bobina sólida e forte.
Agora, essa bobina está pronta para servir como um dos quatro pólos do ímã de foco. O processo leva vários meses para cada pólo antes que o ímã completo possa ser montado.
"Como essas bobinas são muito poderosas quando energizadas, há muita força tentando separar o ímã", disse Pong. "Mesmo que o ímã não esteja se deformando, no nível do condutor haverá uma tensão à qual o desempenho do nióbio-estanho é muito sensível. O gerenciamento da tensão é muito, muito importante para esses ímãs de alto campo".
O tratamento térmico das bobinas do ímã - uma das etapas intermediárias na montagem do ímã - também é uma ciência sutil. Cada uma das quatro bobinas de um ímã de foco HL-LHC pesa cerca de uma tonelada e precisa ser tratada termicamente de maneira uniforme - por dentro e por fora.
"Você precisa controlar bem a temperatura. Caso contrário, a reação não nos dará o melhor desempenho", disse Pong. "É um pouco como cozinhar. Não é apenas para atingir a temperatura em uma parte da bobina, mas em toda a bobina, de ponta a ponta, de cima para baixo, a coisa toda".
E as quatro bobinas devem ser alinhadas precisamente uma com a outra.
"Você precisa de uma precisão de campo muito alta, por isso precisamos ter uma precisão muito alta na forma como eles as alinham para obter uma boa uniformidade do campo magnético, um bom campo quadripolar", disse Amm.
A engenharia fina aplicada aos ímãs do HL-LHC dos EUA aumentou durante décadas, com uma recompensa que está energizando a comunidade de aceleradores de partículas.
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.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
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