Está pronto o primeiro magneto do futuro do LHC

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/04/2016

Foram 10 anos do projeto à construção deste eletroímã supercondutor de 1,5 metro. Agora será necessário construir uma versão muito maior. [Imagem: G. Ambrosio/P. Ferracin/E. Todesco]

LHC do futuro

       Se você acha que o LHC, o maior acelerador de partículas e o maior experimento científico da história contém o supra-sumo da tecnologia, você está certo.

       Mas também é necessário saber que os físicos e engenheiros do CERN acabam de terminar o protótipo de uma das peças fundamentais para o “LHC do futuro”.

       A proposta é que dezenas de magnetos supercondutores similares a este protótipo sejam instalados em uma atualização radical da tecnologia do LHC, em 2026, que deverá aumentar a luminosidade do acelerador de partículas em 10 vezes.

       Construído por uma equipe internacional, o eletroímã supercondutor, chamado “Quadrupolo MQXF1”, mede apenas 1,5 metro de comprimento, mas sua versão final deverá substituir 5% dos ímãs responsáveis pela focalização e direção dos feixes de partículas quando o LHC se transformar no “LHC de Alta Luminosidade”, ou HL-LHC (High-Luminosity Large Hadron Collider).

Supercondutor de nióbio

       Os ímãs do atual LHC são feitos de uma liga de nióbio e titânio (NbTi), um supercondutor que pode operar dentro de um campo magnético de até 10 teslas antes de perder a sua supercondutividade. Este novo ímã é feito de nióbio e estanho (Nb₃Sn), um supercondutor capaz de transportar corrente sem resistência através de um campo magnético de até 20 teslas.

       Mas o ganho também tem seus custos. O Nb₃Sn precisa ser recozido a 650º C para que sua estrutura seja alterada e ele se torne um supercondutor. O problema é que isso também o torna tão quebradiço quanto uma cerâmica.

Detalhe do magneto, onde se podem ver as bobinas supercondutoras. [Imagem: Reidar Hahn/Fermilab]

       Assim, construir um ímã desse tamanho usando um material mais frágil do que uma xícara de chá não é uma tarefa fácil. Os físicos e engenheiros gastaram 10 anos projetando e aperfeiçoando um processo que finalmente permitiu formatar, recozer e estabilizar as bobinas.

       “Nós estamos lidando com uma nova tecnologia que pode ir muito além do que era possível quando o LHC foi construído. Esta nova tecnologia magnética irá tornar possível o projeto do HL-LHC,” disse Giorgio Apollinari, membro da equipe.

       Agora a equipe vai usar seu novo processo produtivo para fabricar ímãs cada vez maiores, até atingir a escala necessária para seu uso no LHC, cujos magnetos supercondutores medem 14,3 metros.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=magneto-lhc-futuro&id=010115160415&ebol=sim

Cientistas do CERN testam supercondutores para proteger os astronautas dos raios cósmicos (CERN Scientists Test Superconducting Magnetic Shields To Protect Astronauts From Cosmic Rays)

Cientistas do CERN estão testando uma ideia para equipar futuras naves espaciais com um campo de força Star Trek, para proteger os astronautas de raios cósmicos. Foto: Terry Virts trabalha fora da Estação Espacial Internacional (ISS) em sua terceira viagem espacial. Fonte: NASA via Getty Images

       O espaço é um lugar frio, escuro e cheio de radiação que pode, literalmente, fritar seu cérebro se você for temerário o suficiente para aventurar-se sem a proteção adequada. Esta é uma das principais preocupações das agências espaciais, incluindo a NASA, que está planejando lançar missões tripuladas a Marte e além nas próximas décadas.

       Os cientistas do CERN estão trabalhando em uma ideia para equipar futuras naves espaciais com um campo de força que irá protegê-los dos raios cósmicos mortais. Os raios cósmicos são feitos de partículas eletricamente carregadas de alta velocidade emergentes de todas as direções no espaço. Estudos recentes em ratos mostraram que a exposição a esses raios pode causar danos cerebrais e deteriorar a função cognitiva.

       A vida na Terra é protegida contra estes raios pela magnetosfera do planeta, que atua como um cobertor, bloqueando a radiação nociva. No entanto, os astronautas que se aventuram além do campo magnético do planeta - a Marte, por exemplo, - serão continuamente bombardeados com raios cósmicos de alta energia que pode, além de danos ao cérebro, provocar um aumento significativo na probabilidade de vários tipos de cânceres.

       Como resultado, missões de exploração a outros planetas só serão possíveis se for encontrada uma solução eficaz para os astronautas se protegerem adequadamente.

       Em um comunicado divulgado recentemente, uma equipe de cientistas do CERN que trabalha com o projeto Space Radiation Superconducting Shield (SR2S), um esforço colaborativo financiado pela União Europeia, divulgaram que estão testando se bobinas supercondutoras feitas a partir de diboreto de magnésio (MgB₂) - um composto binário de baixo custo - pode ser usado para criar uma tecnologia de blindagem magnética para naves espaciais.

       “No âmbito deste projeto, o CERN está testando fitas de diboreto de magnésio (MgB₂) em uma configuração que foi desenvolvida especificamente para o projeto SR2S”, disse a cientista do CERN Amalia Ballarino no comunicado. “Se a bobina protótipo que será usada no teste produzir resultados bem sucedidos, vamos ter contribuído com informações importantes para a viabilidade do escudo magnético supercondutor”.

       Uma vez que supercondutores podem conduzir eletricidade com resistência zero, eles podem transportar corrente indefinidamente sem perder energia. Além disso, como todas as partículas carregadas em movimento geram um campo magnético, este fenômeno pode ser utilizado para criar uma cobertura de magnetosfera artificial em torno de uma nave espacial que proteja de radiação nociva aqueles que estão a bordo.

       A má notícia é que, ao contrário do USS Enterprise, esses campos de força não serão de muita utilidade contra um ataque concertado por alienígenas hostis.

Fonte: http://www.ibtimes.com/cern-scientists-test-superconducting-magnetic-shields-protect-astronauts-cosmic-rays-2041505

A supercondutividade e os aceleradores de partículas

Por Flora Balieiro e Tárcio Fabrício

Muitas das descobertas sobre o misterioso mundo subatômico seriam inviáveis sem a existência dos supercondutores

Foi Demócrito o primeiro a dizer que os materiais eram constituídos de partículas minúsculas. A essas partículas o filósofo deu o nome de átomos. O termo vem do grego e significa “aquilo que não pode ser dividido em pedaços”, um termo bastante plausível para a ideia de átomo que existia na época. Os conhecimentos sobre o átomo mudaram desde então e, muito embora o termo cunhado por Demócrito não tenha caído em desuso, a fissão nuclear mostrou que era possível dividir o que antes era indivisível.

Partículas ainda menores que os prótons, nêutrons e elétrons foram descobertas e, a partir da década de 1950, com a construção dos primeiros aceleradores de partículas, iniciou-se uma corrida em busca das chamadas partículas elementares, sendo algumas delas de difícil detecção e de existência extremamente efêmera – em alguns casos, menos de um bilionésimo de segundo.

Genericamente falando, aceleradores de partículas são equipamentos que fornecem energia a partículas subatômicas eletricamente carregadas, fazendo com que elas atinjam altas velocidades. Nesses aceleradores, as partículas são dispostas em feixes, possibilitando que atinjam velocidades próximas à da luz! Esse tipo de acelerador normalmente é usado para se conhecer melhor as partículas subatômicas por meio de colisões entre elas.

Nemitala Added, do Departamento de Física Nuclear da Universidade de São Paulo (USP), explica que os trabalhos na área de Física Nuclear, tanto básica quanto aplicada, lidam com colisões nucleares para investigar a estrutura nuclear ou para o desenvolvimento de estudos interdisciplinares. “Analogamente a um jogo de bilhar, a colisão nuclear seria representada pelo choque entre as bolas e o taco teria a função de dar energia (acelerar) a uma das bolas em direção à outra”, ilustra o pesquisador.

Dentro dessa classe de aceleradores, podemos distinguir dois tipos básicos: os aceleradores lineares e os aceleradores circulares. Nos aceleradores lineares, as partículas percorrem rotas retilíneas no vácuo – em extensos tubos de cobre – antes de colidirem com o alvo, onde existem detectores específicos para registrar as partículas e a radiação que são liberadas durante a colisão.

Os aceleradores lineares utilizam eletroímãs para manter as partículas em um feixe estreito, já que, por terem carga elétrica de mesma natureza, elas tendem a se repelir.

Seção retilínea do LHC: Duas seções dessas são responsáveis por acelerar o feixe de partículas enquanto os 27 km curvos restantes servem somente para redirecionar o feixe (Foto Denis Damazio).

Mas onde é que entram os supercondutores nessa história? Bem, alguns tipos de acelerador exigem a utilização de campos magnéticos fortíssimos para funcionar, o que seria praticamente impossível de conseguir sem a utilização de bobinas supercondutoras.

Um exemplo desses aceleradores, do tipo Linac, está instalado no Instituto de Física da Universidade de São Paulo. O Linac é um tipo de acelerador linear que utiliza radiofrequência para transferir energia ao feixe de partículas a ser estudado. “No Linac são utilizados ressoadores supercondutores para otimizar a produção de campos elétricos com valores acima de 5 ou 6 MV/m usando uma potência de radiofrequência baixa, tipicamente da ordem de alguns Watts”, comenta Added. No laboratório da USP são desenvolvidos diversos tipos de pesquisa, que vão desde o campo da Física Nuclear até Física Ambiental e Biologia Nuclear.

“Na pesquisa básica usamos reações nucleares para entender o processo de produção dos elementos disponíveis no Universo. Alguns experimentos nos permitem simular a nucleossíntese de elementos, levando a um melhor entendimento da evolução e surgimento do Universo. No campo da Física aplicada, as áreas de interesse são diversas, indo desde a investigação de elementos-traços em materiais até estudos relacionados a ambientes com muita radiação, como o aeroespacial”, acrescenta o pesquisador.

A dinâmica de colisões relacionada ao surgimento e evolução do Universo também é estudada nos laboratórios do CERN (Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear), que comporta a maior máquina aceleradora de partículas que já foi construída: o LHC. Essa estrutura supercondutora de 27 km de extensão é um tipo de acelerador circular. Nos aceleradores circulares, o princípio de funcionamento é semelhante ao dos lineares, mas com a diferença de que o trajeto é curvo. Nesses aceleradores, o grupo de partículas é lançado em um percurso cíclico, sendo acelerado a cada volta antes de colidir.

        O LHC – sigla para Large Hadron Colidor – está instalado no subsolo a quase 100 metros da superfície e possui dimensões equivalentes a cinco jatos jumbo. Esse laboratório foi desenvolvido para recriar as condições que existiram frações de segundo após a grande explosão (Big Bang) que originou o Universo. Durante o Big Bang, diversas partículas foram criadas e, embora algumas delas ainda persistam – tais como prótons, neutrons e elétrons –, muitas outras, mais energéticas, já não existem em seu estado natural. Por meio da colisão interpartículas é possível produzir traços que podem nos levar à origem do Universo.

        Outros tipos de aceleradores não necessitam de supercondutores, como é o caso do acelerador de luz síncrotron localizado no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas. Nesse tipo de acelerador as partículas utilizadas são os elétrons, que emitem radiação ao serem acelerados. O LNLS, diferentemente do LHC e do Linac, estuda essa radiação liberada, chamada luz síncrotron. Analisando o espectro emitido pelos elétrons, os cientistas podem inferir características atômicas e moleculares dos materiais estudados.

        No LHC, onde são necessárias colisões de alta energia, em vez de elétrons são acelerados prótons – partículas duas mil vezes mais pesadas e que emitem menos luz ao serem aceleradas. Essas colisões são capazes de gerar partículas mais pesadas, as quais remetem àquelas criadas durante o surgimento do Universo.

Supercondutores

        Fabiano Colauto, do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), explica que, sob altas velocidades em uma trajetória curva, as partículas sofrem a ação da força centrípeta. Para manter os prótons no anel de 27 km do LHC, são usados campos magnéticos muito intensos (duzentas mil vezes o campo da Terra) ao longo do caminho. Os campos magnéticos também fazem o papel de manter o feixe de partículas coeso, pois como elas têm a mesma carga elétrica, sem a atuação do campo elas se repeliriam.

 

Seção de um condutor em cobre - maior diâmetro - ao lado de um cabo supercondutor: ambos são capazes de suportar uma corrente de 13 mil Amperes necessárias à operação do LHC (Foto Denis Damazio).

Denis Damazio, pesquisador brasileiro que trabalha no ATLAS, um dos quatro detectores encontrados no CERN, explica que para criar um campo forte o bastante é necessário aplicar uma corrente elétrica muito intensa e, para isso, a utilização dos supercondutores é imprescindível. “No LHC a corrente aplicada é da ordem de 13 mil amperes. Um material comum não resistiria ao calor gerado pela passagem dessa corrente. Os prótons recebem campo elétrico em uma sessão retilínea curta, onde são acelerados, para em seguida o campo magnético gerado pelo supercondutor redirecionar as partícula. O que acontece é que o grupo de partículas passa por essa sessão reta 11 mil vezes por segundo, sendo aceleradas a cada volta. A grande vantagem dos materiais supercondutores é que eles não oferecem resistência à corrente elétrica e, por isso, não estão sujeitos ao superaquecimento.”

Os campos magnéticos gerados pelo supercondutor no CERN não são utilizados somente para permitir a colisão entre as partículas. No ATLAS, eles também permitem a identificação de cargas. “Como produtos da colisão de prótons são geradas diversas partículas. Uma delas, a partícula Z, logo após ser criada, emite um elétron e um pósitron. Para distinguir essas duas partículas emitidas são usados campos magnéticos gerados por supercondutores. Assim, ao passarem pelo campo, as partículas positivas (pósitrons) irão entortar sua trajetória para uma direção, enquanto as negativas (elétrons) irão na direção oposta”, comenta o pesquisador do ATLAS. “Observando a inclinação dessa trajetória, também é possível inferir a velocidade da partícula. Uma partícula muito rápida irá descrever uma trajetória praticamente reta, enquanto uma partícula mais lenta irá entortar sua trajetória”, acrescenta Damazio.

 

  

Painel mostrando a temperatura de um dos magnetos supercondutores na bancada de testes (1.9 K ou -271 ºC) no CERN (Foto DenisDamazio).

Segundo o pesquisador, o que encarece o uso de supercondutores é principalmente o custo do próprio material, embora mantê-lo nas temperaturas necessárias à supercondutividade também seja bastante caro. Os materiais utilizados nas bobinas normalmente tornam-se supercondutores à temperatura do hélio líquido. “Um litro de hélio, hoje, custa aproximadamente US$ 20. Existem formas de se recuperar o hélio utilizado para resfriar o sistema, mas nesse processo sempre existem perdas e, por isso, o material tem de ser reposto constantemente”, explica Fabiano Colauto, da UFSCar. Ainda assim, o uso de supercondutores no LHC foi a solução mais prática encontrada, tanto do ponto de vista técnico quanto do econômico.

Colauto esclarece que a escolha de bobinas supercondutoras em detrimento de bobinas construídas com condutores comuns depende de vários fatores. “Bobinas supercondutoras dependem de um sistema de resfriamento contínuo, mas são mais leves e compactas que as comuns”, exemplifica. “Cada material supercondutor tem suas próprias características; por isso, a escolha do material a ser utilizado também é consequência de um balanço, que deve levar em conta a temperatura de resfriamento, a corrente máxima (crítica) que ele suporta e o campo magnético máximo.” “No Linac, o material supercondutor escolhido para a região interna dos ressoadores foi o Nióbio, o mesmo utilizado no ATLAS. O fato do Brasil ser o maior produtor de Nióbio do mundo favoreceu a escolha”, conta o professor Added, da USP.

        Os cabos supercondutores do LHC são feitos de uma liga de Nióbio e Titânio (NbTi), um material que é estruturalmente favorável às necessidades mecânicas do acelerador e que mantém suas propriedades supercondutoras mesmo com a passagem de altas correntes elétricas. “As ligas metálicas são preferíveis aos materiais cerâmicos para a construção de bobinas supercondutoras, pois são mais maleáveis, enquanto supercondutores cerâmicos podem sofrer trincas com a constante variação de temperatura a que são submetidas as bobinas. Além disso, os supercondutores metálicos possuem propriedades diamagnéticas mais simples de serem estudadas e mais previsíveis que as encontradas nos materiais cerâmicos”, explica Colauto. “Mas a intenção no futuro é que os materiais cerâmicos substituam os materiais metálicos na construção de dispositivos supercondutores, já que a temperatura crítica para manifestar supercondutividade nos cerâmicos é mais alta. Assim, o nitrogênio líquido (77 K) poderá ser utilizado no lugar do hélio líquido (4,2 K), que é muito mais caro e de difícil obtenção”, conclui.

Por dentro do CERN

Diagrama do complexo de aceleradores do CERN: A linha destacada em laranja, marcada para Gran Sasso, foi responsável pela "descoberta" de neutrinos viajando acima da velocidade da luz (Foto Denis Damazio).

Fonte:http://www.clickciencia.ufscar.br/portal/edicao26/materia3_detalhe.php

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

Maior acelerador de partículas do mundo voltou a funcionar

 

 



 

A próxima tarefa do LHC será tentar decifrar o mistério da matéria escura, o material invisível e indetectável de que é feito cerca de 27% do Universo.

A Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (European Organization for Nuclear Research - CERN), em Genebra, anunciou neste domingo a reabertura do LHC (Large Hadron Collider), uma enorme máquina subterrânea onde dois feixes de partículas de altas energias colidem a velocidades próximas a da luz para tentar reproduzir o que se passou a seguir à criação do Universo, há 13.800 milhões de anos. Esteve dois anos parado, para obras de manutenção e renovação.

O LHC tinha reabertura prevista para o mês passado, mas um curto-circuito num dos eletromagnetos principais, detectado em 21 de março, adiou a operação. Esta manhã, os engenheiros do acelerador enviaram dois feixes de prótons (partículas subatômicas com cargas positivas, que se encontram no núcleo atômico) nos tubos do túnel a 100 metros de profundidade, na fronteira entre a Suíça e a França, com 27 quilômetros de circunferência do LHC.

Nestes tubos, os prótons são lançados em sentidos opostos para colidirem uns contra outros, guiados pelos ímãs supercondutores, que produzem um campo magnético que conduz as partículas. Atingem altíssimas velocidades e altas energias. Nestas colisões são criadas novas partículas, que são detectadas por sensores e analisadas pelos cientistas.

No primeiro período de funcionamento, entre 2010 e 2013, foi detectado o bóson de Higgs - a tão procurada partícula que permite explicar porque todas as outras adquirem massa. Detectá-la era o principal objetivo da construção do LHC. Era a última peça que faltava para confirmar o Modelo Padrão, a teoria que descreve as partículas fundamentais e as forças que exercem entre elas. A descoberta foi anunciada em 4 de Julho de 2012.

Um dos esforços nesta próxima fase é tentar investigar a natureza da matéria escura e da energia escura, que juntas constituem 95% do Universo (os 5% restantes correspondem à matéria que conhecemos, os átomos que formam as estrelas, os planetas e as pessoas). No entanto, a matéria e a energia escuras só são detectadas pela influência que têm na matéria normal.

Após as obras de renovação, o acelerador de partículas do CERN funcionará com uma energia muito maior, produzindo colisões de 13 TeV (teraelétrons-volt), em vez dos 8 TeV que alcançou na primeira fase. Este aumento permitirá aos cientistas ampliar o campo de investigação para procurar novas partículas subatômicas e validar ou não certas teorias, como as relativas à matéria e energia escuras, explica o CERN, em comunicado.

 

Fonte: http://www.publico.pt/ciencia/noticia/maior-acelerador-de-particulas-do-mundo-retoma-actividade-1691407

Pesquisadores observam pela primeira vez o análogo do bóson de Higgs em supercondutores (Researchers first to observe Higgs boson analogue in superconductors)

Um gráfico mostra traços de partículas fruto de uma colisão próton-próton no Large Hadron Collider, em 2012. O evento mostra características esperadas do Modelo Padrão para o decaimento do bóson de Higgs em um par de fótons. Uma análise mais aprofundada de colisões feitas em 2011 e 2012 encontrou evidências de que o Higgs também decai em férmions, de acordo com um novo estudo publicado na revista Nature Physics. Crédito: CERN

Uma equipe de pesquisadores liderada por físicos israelenses e alemães afirmam ter observado pela primeira vez evidências do bóson de Higgs em materiais supercondutores.

        Ao contrário das megacaras instalações do CERN - 4,75 bilhões de dólares - estes resultados, apresentados na Nature Physics, foram obtidos através de experimentos realizados em um laboratório regular de custo relativamente baixo.

        “Assim como os experimentos do CERN revelaram a existência do bóson de Higgs em um acelerador de alta energia, temos revelado agora um análogo do bóson de Higgs em supercondutores”, diz o Prof. Aviad Frydman, membro do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan, que dirigiu o estudo em conjunto com o Prof. Martin Dressel, da Universidade de Stuttgart, como parte de uma colaboração internacional que incluiu também outras equipes de Israel, Índia e Estados Unidos.

        Frydman explica que a nova descoberta traz a busca pelo bóson de Higgs de volta à sua fonte. “Ironicamente, enquanto a discussão sobre o ‘elo perdido’ do Modelo Padrão foi inspirada pela teoria dos supercondutores, o modo de Higgs nunca foi observado em supercondutores devido a dificuldades técnicas. Dificuldades que nós conseguimos superar”.

        Frydman e seus colegas descrevem um novo método para a realização dos experimentos: “A alta energia necessária para excitar um modo de Higgs em supercondutores tende a quebrar os pares de elétrons que são as cargas básicas do material. Isso leva a um rápido decaimento em pares partícula-buraco, e suprime a natureza supercondutora do material. Nós resolvemos esse problema usando filmes supercondutores ultrafinos desordenados de nitrito de nióbio (NbN) e óxido de índio (InO) próximo ao ponto crítico supercondutor-isolante - um estado em que a teoria recente prevê que um rápido decaimento de Higgs deixaria de ocorrer. Isso criou as condições para excitar um modo de Higgs a energias relativamente baixas”.

Peter Ware Higgs

(1929 - )

        De acordo com Frydman, a observação do mecanismo de Higgs em supercondutores é significativa porque revela como um único tipo de processo físico se comporta sob condições de energia drasticamente diferentes. “Excitar o modo de Higgs em um acelerador de partículas exige níveis de energia enormes - medido em giga elétrons-volt”, diz Frydman. “Em supercondutores, o fenômeno ocorre em uma escala de energia completamente diferente - apenas um milésimo de um único elétron-volt. Interessante é ver como, mesmo nesses sistemas altamente díspares, a mesma física fundamental está em ação”.

        A natureza robusta do modo de Higgs recém-observado em supercondutores poderia tornar mais fácil para os cientistas estudar a ainda controversa "partícula de Deus" - o evasivo ‘elo perdido’ na teoria padrão da física de partículas que é responsável por conferir massa a toda matéria no universo. Graças a esta nova abordagem, em breve será possível resolver os mistérios de longa data da física fundamental, através de experimentos realizados - não em um complexo de aceleradores de bilhões de dólares - mas em uma mesa de laboratório.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-02-higgs-boson-analogue-superconductors.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n2/full/nphys3227.html

Eletroímãs supercondutores do LHC: grandes desafios da engenharia (Superconducting electromagnets of the LHC)

Foto: Maximilien Brice, CERN

A maioria das pessoas está familiarizada com ímãs, mas podem não saber que estes são parte integrante de quase todos os modernos aceleradores de partículas. Esses ímãs não são o mesmo que você põe na geladeira. Embora tenham um polo norte e sul, assim como seus ímãs fazem, ímãs de acelerador exigem um pouco de engenharia.

     Quando uma partícula carregada eletricamente, como um próton, se move através de um campo magnético constante, descreve um percurso circular. O tamanho do círculo depende da força dos magnetos e da energia do feixe. Aumentar a energia, o anel se torna maior; aumentar a força dos ímãs, o anel fica menor.

     O Large Hadron Collider é um acelerador, uma palavra crucial que nos lembra que podemos usá-lo para aumentar a energia das partículas do feixe. Se a força dos ímãs permanecer a mesma, então quando aumentarmos a energia do feixe, o tamanho do anel terá que aumentar. Uma vez que o tamanho do anel permanece necessariamente o mesmo, é preciso aumentar a força dos ímãs quando a energia do feixe é aumentada. Por essa razão, os aceleradores de partículas usam um tipo especial de ímã.

     Quando uma corrente elétrica passa através de um fio, ela cria um campo magnético; a intensidade do campo magnético é proporcional à quantidade de corrente elétrica. Ímãs criados dessa forma são chamados de eletroímãs. Ao controlar a quantidade de corrente, podemos fazer eletroímãs de qualquer força que queremos. Podemos até mesmo inverter a polaridade do ímã, invertendo a direção da corrente.

     Dada a ligação entre corrente elétrica e campo magnético, é claro que precisamos de grandes correntes em nossos ímãs aceleradores. Para conseguir isso, usamos os supercondutores, materiais que perdem sua resistência à corrente elétrica quando são arrefecidos o suficiente. E ‘resfriar’ é um eufemismo. Em 1,9 Kelvin, os centros dos ímãs do LHC são um dos lugares mais frios do universo – mais frio do que a temperatura do espaço entre as galáxias.

     Dado o papel central dos ímãs em aceleradores modernos, os cientistas e engenheiros do Fermilab e CERN estão constantemente trabalhando para torná-los ainda mais fortes. Embora os principais ímãs do LHC gerem um campo magnético cerca de 800.000 vezes o da Terra, aceleradores futuros exigirão ainda mais. A tecnologia de eletroímãs é uma parte vibrante e crucial de futuros dos laboratórios.

Fonte: http://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/superconducting-electromagnets-of-the-lhc