Esta imagem mostra como o eixo da parte superior de um brinquedo se desvia em um caminho circular de seu alinhamento vertical para cima e para baixo conforme a parte superior gira em torno desse eixo. Sabendo a taxa deste desvio, chamada precessão, para prótons girando viajando em torno de um acelerador de partículas como o RHIC ajuda os físicos a manter as partículas alinhadas para experimentos que exploram as fontes do spin do próton. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram uma maneira não invasiva de medir a "sintonia de spin" de prótons polarizados no Colisor de Íons Pesados Relativísticos (RHIC) - um fator importante para manter o alinhamento dessas partículas giratórias.
A técnica é semelhante à forma como a ressonância magnética (MRI) manipula o spin do próton para "ver" estruturas dentro do corpo. E como a ressonância magnética, a técnica pode ser usada como uma ferramenta de "diagnóstico" - neste caso, para melhorar o desempenho do colisor à medida que explora como os blocos de construção internos dos prótons contribuem para seu spin.
"Para entender como os blocos de construção dos prótons - quarks e glúons - contribuem para o spin, colidimos feixes de prótons cujas direções de spin individuais são "polarizadas, "significado alinhado o máximo possível, "disse Thomas Roser, chefe do Departamento de aceleradores de colisão do Brookhaven Lab. Mas forças externas e alguns métodos para medir desvios podem "despolarizar" os feixes.
A nova técnica mede a magnitude e a frequência da precessão dos prótons - um desvio circular dos eixos dessas partículas giratórias de seu caminho perfeitamente alinhado - sem desestabilizar os feixes.
"Podemos medir a precessão de forma não invasiva enquanto o acelerador opera, Roser disse. "Isso nos dá informações que podemos usar para fazer ajustes que mantenham os prótons alinhados."
O alinhamento do spin de um próton oscila em torno da direção do spin estável (seta preta sólida) entre os dois limites (setas vermelhas tracejadas) ao longo de muitas voltas da órbita. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
O que faz os prótons oscilarem
Com feixes polarizados em RHIC - ou qualquer acelerador circular - a direção de rotação média de cada grupo de prótons se alinha com o campo magnético do acelerador. Mas, como um pião que começa a balançar, 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, sincroniza-se com a frequência da precessão, pode amplificar a oscilação dos prótons e fazer com que o feixe se torne despolarizado.
"Existem outras maneiras de medir a frequência de precessão, mas as técnicas usadas até agora causam efetivamente a despolarização que tais medidas procuram evitar, "Roser disse." Nosso novo método mede a frequência da precessão sem despolarizar o feixe para que possamos fazer correções para manter os prótons alinhados - ou até mesmo mudar sua direção de rotação quando desejado. "
O quebra-cabeça do spin do próton:os cientistas querem saber como os diferentes constituintes do próton contribuem para o seu spin, uma propriedade fundamental que desempenha um papel em 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 de quarks e glúons (canto superior esquerdo), giro do glúon (canto superior direito) e giro do quark e antiquark (embaixo). Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Roser explicou como a nova técnica funciona de forma semelhante à maneira como os exames de ressonância magnética funcionam:Primeiro, um poderoso campo magnético alinha todos os spins dos prótons, em seguida, os cientistas aplicam um campo eletromagnético externo de frequência variável, procurando a frequência na qual os eixos dos prótons começam a se desviar da estabilidade.
"É como sintonizar um botão de rádio antigo para procurar uma estação, "Roser disse." A chave é chegar perto da frequência de tombamento sem desencadear a desestabilização. "
Em 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 pesquisas em física nuclear - e também pode ser usada em um planejado colisor elétron-íon polarizado para ser localizado nos Estados Unidos.
