Enviar grupos de prótons acelerando em torno de um colisor de partículas circular para se encontrar em um ponto específico não é tarefa fácil. Muitos componentes diferentes do colisor funcionam para manter os feixes de prótons no curso - e para evitar que se tornem indisciplinados.

Cientistas do Fermilab inventaram e desenvolveram um novo componente colisor há 20 anos:as lentes de elétrons. Lentes de elétrons são feixes de elétrons formados em formas específicas que modificam o movimento de outras partículas - geralmente prótons - que passam por elas.

O agora aposentado Tevatron, um colisor circular no Fermilab, e o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven se beneficiaram de lentes de elétrons, um conceito originalmente desenvolvido no Fermilab.

"As lentes de elétrons são como um canivete suíço para aceleradores:são relativamente simples e baratas, mas podem ser aplicados de várias maneiras, "disse Alexander Valishev, um cientista do Fermilab que foi coautor de um estudo recente para uma nova aplicação de lente de elétrons, o que pode ser crucial para os próximos aceleradores.

A inovação é detalhada em artigo publicado no dia 27 de setembro em Cartas de revisão física .

"Este pequeno avanço na física dos feixes e aceleradores é uma espécie de início de uma invenção maior - é uma coisa nova, "disse Vladimir Shiltsev do Fermilab, um autor do artigo publicado. Shiltsev também desempenhou um papel importante na origem das lentes de elétrons em 1997. "O Fermilab é conhecido por invenções e desenvolvimentos que são, primeiro, emocionante, e então, funcional. É para isso que os laboratórios nacionais são feitos, e é isso que alcançamos. "

Uma lente para o futuro

Este novo tipo de lente de elétron, chamada de lente de amortecimento Landau, será uma parte crítica de um grande, projeto prospectivo em pesquisa em física de partículas:o Future Circular Collider no CERN. O FCC iria ultrapassar os limites do design tradicional do colisor para estudar mais a física de partículas além do bóson de Higgs, uma partícula fundamental descoberta apenas cinco anos atrás.

O FCC proposto deve ser uma máquina de alta luminosidade:seus feixes de partículas precisarão ser compactos e densamente compactados. Comparado com o Grande Colisor de Hádrons do CERN, os feixes também terão um aumento dramático de energia - 50 trilhões de elétron-volts, em comparação com a energia do feixe do LHC de 7 trilhões de elétronvolts. Isso envolve um aumento igualmente dramático no tamanho do acelerador. Com uma circunferência planejada de 100 quilômetros, o FCC superaria o LHC de 27 quilômetros.

Esses de alta energia, todos os supercolliders de alta luminosidade apresentam um problema, independentemente do tamanho:um feixe intenso de prótons acumulado na largura do cabelo humano viajando por uma longa distância pode se tornar instável, especialmente se todos os prótons viajarem exatamente da mesma maneira.

Em um colisor, as partículas chegam em pacotes chamados cachos - fluxos de cerca de um pé de comprimento embalados com centenas de bilhões de partículas. Um feixe de partículas é formado por dezenas, centenas ou milhares desses cachos.

Imagine um colisor circular como uma pista estreita, com prótons em um grupo como um pacote compacto de carros de corrida. Um pedaço de entulho aparece de repente no meio da pista, perturbando o fluxo do tráfego. Se todos os carros reagem da mesma maneira, dizer, ao virar bruscamente para a esquerda, isso pode levar a um grande engavetamento.

Dentro do colisor, não é uma questão de evitar apenas um solavanco na pista, mas ajustando-se a vários obstáculos dinâmicos, fazendo com que os prótons mudem seu curso muitas vezes. Se uma anomalia, como uma torção no campo magnético do colisor, ocorre inesperadamente, e se todos os prótons no feixe reagirem a ele da mesma maneira ao mesmo tempo, mesmo uma ligeira mudança de curso poderia rapidamente enlouquecer.

Pode-se evitar o problema diminuindo o feixe de partículas desde o início. Usando feixes de prótons de baixa densidade, você fornece menos oportunidade para os prótons saírem do curso. Mas isso significaria remover prótons e, assim, perder potencial para descobertas científicas.

Outro, A melhor maneira de resolver o problema é introduzir diferenças no feixe de modo que nem todos os prótons nos cachos se comportem da mesma maneira.

Para voltar à pista:Se todos os motoristas reagirem ao pedaço de escombros de maneiras diferentes - alguns se movendo ligeiramente para a direita, outros ligeiramente para a esquerda, um piloto corajoso simplesmente pula por cima - os carros podem se fundir novamente e continuar a corrida, sem acidentes.

Criar diferenciações dentro de um grupo de prótons faria essencialmente a mesma coisa. Cada próton segue o seu próprio, curso ligeiramente diferente ao redor do colisor. Por aqui, qualquer desvio do curso é isolado, em vez de compostos por prótons, todos se comportando mal em conjunto, minimizando oscilações prejudiciais do feixe.

"As partículas no centro do grupo se moverão de maneira diferente das partículas ao redor, "Shiltsev disse." Os prótons serão todos meio confusos, mas é isso que queremos. Se todos eles se moverem juntos, eles se tornam instáveis. "

Essas diferenças geralmente são criadas com um tipo especial de ímã chamado octupolos. O Tevatron, antes de seu descomissionamento em 2011, tinha 35 ímãs de octupolo, e o LHC agora tem 336.

Mas à medida que os colisores ficam maiores e alcançam maiores energias, eles precisam de um número exponencialmente maior de ímãs:O FCC exigirá mais de 10, 000 ímãs de octupolo, cada um com um metro de comprimento, para obter os mesmos resultados de estabilização do feixe dos colisões anteriores.

Esses tantos ímãs ocupam muito espaço:até 10 dos 100 quilômetros do FCC.

"Isso parece ridículo, "Shiltsev disse." Estamos procurando uma maneira de evitar isso. "

A comunidade científica reconhece as lentes não lineares de amortecimento de Landau como uma solução provável para este problema:uma única lente de elétrons de um metro de comprimento poderia substituir todas as 10, 000 imãs de octupolo e, possivelmente, fazer um trabalho melhor mantendo os feixes estáveis ​​à medida que aceleram em direção à colisão, sem introduzir novos problemas.

"No CERN, eles abraçaram a ideia desse novo tipo de lente de elétrons, e as pessoas lá estarão estudando-os em mais detalhes para o FCC, "Valishev disse." Dado o que sabemos até agora sobre os problemas que os futuros colisores enfrentarão, este seria um dispositivo de extrema criticidade. É por isso que estamos animados. "

Electron Legos

A lente de amortecimento Landau unirá dois outros tipos de lentes de elétrons no repertório de ferramentas que os físicos precisam modificar ou controlar os feixes dentro de um colisor.

"Depois de muitos anos de uso, as pessoas ficam muito felizes com as lentes de elétrons:é um dos instrumentos usados ​​para aceleradores modernos, como ímãs ou cavidades supercondutoras, "Shiltsev disse." Lentes de elétrons são apenas um dos blocos de construção ou peças de Lego. "

As lentes de elétrons são muito parecidas com Legos:as peças de Lego são feitas do mesmo material e podem ser da mesma cor, mas uma forma diferente determina como eles podem ser usados. As lentes de elétrons são todas feitas de nuvens de elétrons, moldado por campos magnéticos. A forma da lente determina como a lente influencia um feixe de prótons.

Os cientistas desenvolveram a primeira lente de elétrons no Fermilab em 1997 para uso para compensar os chamados efeitos de feixe de feixe no Tevatron, e um tipo semelhante de lente de elétron ainda está em uso no RHIC de Brookhaven.

Em aceleradores circulares, feixes de partículas passam uns pelos outros, indo em direções opostas dentro do colisor até que sejam direcionados para uma colisão em pontos específicos. À medida que os feixes zumbem entre si, eles exercem uma pequena força um sobre o outro, o que faz com que os feixes de prótons se expandam ligeiramente, diminuindo sua luminosidade.

Aquela primeira lente de elétron, chamada de lente de compensação de feixe de feixe, foi criado para combater a interação entre as vigas, comprimindo-as de volta ao original, estado compacto.

Após o sucesso deste tipo de lente de elétrons no Tevatron, os cientistas perceberam que os feixes de elétrons poderiam ser moldados de uma segunda maneira para criar outro tipo de lente de elétrons.

Os cientistas projetaram a segunda lente para ter o formato de um canudo, permitindo que o feixe de prótons atravesse o interior sem ser afetado. O próton ocasional pode tentar deixar seu grupo e se desviar do centro do feixe. No LHC, perder até mesmo um milésimo do número total de prótons de uma forma descontrolada pode ser perigoso. A lente de elétrons atua como um raspador, remover essas partículas nocivas antes que elas possam danificar o colisor.

"É extremamente importante ter a capacidade de raspar essas partículas porque sua energia é enorme, "Shiltsev disse." Sem controle, eles podem fazer furos, quebrar ímãs ou produzir radiação. "

Ambos os tipos de lentes de elétrons deixaram sua marca no design do colisor como parte do sucesso do Tevatron, RHIC e o LHC. A nova lente de amortecimento Landau pode ajudar a inaugurar a próxima geração de aceleradores.

“A lente de elétrons é um exemplo de algo que foi inventado aqui no Fermilab 20 anos atrás, "Shiltsev disse." Esta é uma das raras tecnologias que não foi levada à perfeição apenas no Fermilab:foi inventada, desenvolvido e aperfeiçoado e ainda continua a brilhar. "