Próxima geração de aceleradores de partículas com filmes finos de nióbio (A grad student works toward the next generation of particle accelerator)

Matthew Burton (à direita) e sua orientadora Ale Lukaszew estão trabalhando em melhorias de um importante componente de aceleradores de partículas.

É preciso um grande instrumento para investigar uma partícula pequena. Os aceleradores de partículas, usados ​​pelos físicos para estudar as partículas elementares, são geralmente construídos no subsolo e seu tamanho é muitas vezes medido em milhas. Como o conhecimento das partículas fundamentais avança através de novas descobertas, os cientistas precisam de melhores aceleradores de partículas. Matthew Burton trabalha para fazer um acelerador melhor.

       Burton está se concentrando em um componente acelerador chamado cavidade ressonante de rádio-frequência (RF). As cavidades de RF são supercondutores em forma de anel que aceleram as partículas de modo que possam colidir umas com as outras em um esforço para dividi-las em seus componentes menores. As RF supercondutoras (SRF) usadas atualmente são feitas de nióbio, um metal que deve ser resfriado a -257 °C para se comportar como um supercondutor. O acelerador no JLab usa 338 cavidades de nióbio.

Um técnico do Jefferson Lab examina uma cavidade RF. O acelerador de partículas do JLab contém mais de 300 desses componentes supercondutores.

       Burton explicou que as cavidades feitas de nióbio apresentam alguns problemas. Por um lado, o nióbio é um metal altamente caro e também tem inconvenientes técnicos relacionados com a sua capacidade de conduzir o calor. Além disso, as cavidades SRF de nióbio têm progredido a um ponto em que exige-se um novo tipo de cavidade que ofereça um desempenho além do que o nióbio pode proporcionar.

       Para encarar estes problemas, Burton tem duas abordagens: uma é testar a possibilidade de utilizar filmes finos à base de nióbio para o revestimento das cavidades de cobre, que é mais barato e um condutor de calor mais eficiente. Outra é usar os filmes finos em multicamadas para criar uma cavidade ainda melhor com outros materiais adequados.

       Segundo Ale Lukaszew, “se o CERN tivesse as cavidades com a qualidade que temos hoje, o famoso bóson de Higgs teria sido descoberto há 25 anos. As cavidades que o CERN estava usando para realizar os experimentos na época chegou a um nível de energia muito abaixo do que era necessário para provar a existência do bóson de Higgs”, explicou.

       O processo de alinhar as cavidades com filmes finos oferece vários desafios. Lukaszew explicou que o filme deve ter espessura uniforme em toda a cavidade e também deve ter as qualidades de superfície adequadas. A menor imperfeição pode interromper seu caráter supercondutor.

       Burton explicou que a técnica de forrar as cavidades com filmes finos foi testada, mas principalmente com amostras de tamanho maiores. Amostras assim fornecem uma ideia de como a cavidade se comportaria se todo o interior for revestido com uma película fina. Burton estará entre os primeiros a tentar cavidades totalmente revestidas com um filme fino de nióbio. Ele está trabalhando com um processo chamado High Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) para produzir filmes mais densos e uniformes por toda a cavidade. “Isso nunca foi usado antes. Nosso objetivo é utilizar esta nova técnica para tentar obter um melhor controle sobre a densidade dos filmes”, disse Burton.

       Os cientistas que tentam produzir uma cavidade com filmes finos de nióbio estão correndo contra o relógio. Lukaszew explicou que o CERN já começou a atualizar seus aceleradores de partículas: “Eles precisam de uma resposta no prazo de quatro anos, se o que estamos fazendo é melhor do que as cavidades atuais, então elas vão ser implementadas no CERN”.

       A segunda fase do trabalho baseia-se em uma ideia de um físico teórico, Alexander Gurevich, que propôs um modelo usando filmes finos em multicamadas para aumentar o campo de aceleração das cavidades. Gurevich propôs que a superfície interior das cavidades devem ser revestidas com filmes finos alternando camadas supercondutoras e isolantes para aumentar o campo de aceleração das cavidades. “Se você faz cada camada fina o suficiente ela vai ter um campo crítico maior”, disse Burton. Quanto mais energia for inserida no interior das cavidades, mais rápido as partículas irão acelerar. As camadas alternadas permitem que as cavidades suportem campos de aceleração mais elevados.

       “A teoria prevê que você pode chegar ao dobro do campo máximo de aceleração fora destas cavidades. Assim, você pode fazer um acelerador com a metade do seu tamanho atual”. Aceleradores de partículas menores podem ser instalados em portos e em locais estratégicos semelhantes para verificar a presença de material nuclear. “Se você tiver uma cavidade reforçada que permita obter duas vezes o campo de aceleração, você pode fazer um acelerador que se encaixa em um porto de embarque. Você pode até mesmo encaixar na parte traseira de um caminhão pequeno”, disse ele. Este será o primeiro teste do modelo Gurevich em cavidades reais.

Fonte: https://www.wm.edu/news/stories/2015/a-grad-student-works-toward-the-next-generation-of-particle-accelerator123.php