Em um esforço de vários anos envolvendo três laboratórios nacionais dos Estados Unidos, pesquisadores construíram e testaram com sucesso um novo ímã poderoso baseado em um material supercondutor avançado. O dispositivo de oito toneladas - quase tão longo quanto um reboque de semi-caminhão - estabeleceu um recorde para a maior força de campo já registrada para um ímã de focalização do acelerador e eleva o padrão para ímãs operando em aceleradores de partículas de alta energia.

Fermilab do Departamento de Energia, Brookhaven National Laboratory e Lawrence Berkeley National Laboratory projetado, construiu e testou o novo ímã, um dos 16 que fornecerá para operação no High-Luminosity Large Hadron Collider no laboratório CERN na Europa. Os 16 ímãs, junto com outros oito produzidos pelo CERN, servir como "ótica" para partículas carregadas:elas vão concentrar feixes de prótons em um minúsculo, ponto infinitesimal à medida que se aproximam da 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. Estes serão os primeiros ímãs quadrupolo de nióbio-estanho a operar em um acelerador de partículas.

Como o atual Grande Colisor de Hádrons, seu sucessor de alta luminosidade colidirá feixes de prótons que cruzam o anel de 17 milhas próximo à velocidade da luz. O HL-LHC terá um impacto adicional:fornecerá 10 vezes mais colisões que são possíveis no LHC atual. Com mais colisões, surgem mais oportunidades de descobrir novas físicas.

E os novos ímãs de foco da máquina irão ajudá-la a alcançar aquele salto na luminosidade fornecida.

"Demonstramos que este 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 nesta 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 focalização com base nos EUA.

"É um ímã muito moderno, realmente na vanguarda da tecnologia magnética, "disse a cientista do Laboratório Nacional de Brookhaven Kathleen Amm, o 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 aceleradores circulares, dois feixes de partículas percorrem o anel em direções opostas. Um instante antes de chegarem ao ponto de colisão, cada feixe passa por uma série de ímãs que focam os feixes de partículas em um minúsculo, ponto infinitesimal, da mesma forma que as lentes focalizam os raios de luz em um ponto. Agora, embalados com o máximo de partículas que os ímãs podem pegar - esmague! - os feixes colidem.

A fecundidade científica desse sucesso depende de quão denso é o feixe. Quanto mais partículas forem aglomeradas no ponto de colisão, quanto maior a chance de colisões de partículas.

Você obtém esses feixes compactos ao aumentar o foco do ímã. Uma maneira de fazer isso é alargar a lente. Considere a luz:

"Se você tentar focar a luz do sol usando uma lupa em um ponto pequeno, você deseja ter uma lupa mais 'poderosa', "disse Ian Pong, Cientista do Berkeley Lab e um dos gerentes de contas de controle.

Uma lente de aumento maior focaliza mais os raios do sol do que uma menor. Contudo, os raios de luz na borda externa da lente devem ser curvados mais nitidamente para se aproximar do mesmo ponto focal.

Ou considere um grupo de arqueiros atirando flechas em uma maçã:mais flechas ficarão presas se os arqueiros atirarem de cima, abaixo e em ambos os lados da maçã do que se estivessem posicionados em um posto, 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 à medida que atravessa o interior do ímã. Se o feixe de partículas começar de forma ampla antes de ser focalizado, mais partículas chegarão ao ponto focal pretendido - o centro do detector de partículas.

A equipe dos EUA alargou 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, uma abertura maior não é suficiente. Ainda há a questão de realmente focar o feixe, o que significa forçar uma mudança dramática no tamanho do feixe, de largo a estreito, no momento em que o feixe atinge o ponto de colisão. E isso requer um ímã excepcionalmente forte.

"O ímã precisa comprimir o feixe com mais força do que os ímãs atuais do LHC para criar a luminosidade necessária para o HL-LHC, "Apollinari disse.

Para atender a demanda, cientistas projetaram e construíram um ímã de foco muscular, calculando isso, na abertura necessária, teria que gerar um campo superior a 11,4 teslas. Isso é superior ao campo atual de 7,5 tesla gerado pelos ímãs quadrupolo do LHC à base de nióbio-titânio. (Para especialistas em aceleradores:a meta de luminosidade integrada do HL-LHC é 3, 000 femtobarns inversos.)

Em janeiro, o primeiro ímã de foco HL-LHC da equipe de três laboratórios entregue acima do desempenho objetivo, alcançando um campo de 11,5 tesla e operando continuamente nesta intensidade por cinco horas consecutivas, da mesma forma que funcionaria quando o LHC de alta luminosidade fosse inicializado em 2027.

"Esses ímãs são atualmente os ímãs de foco de campo mais alto em aceleradores como existem hoje, "Amm disse." Estamos realmente indo para campos mais elevados, o que nos permite chegar a luminosidades mais altas. "

O novo ímã de foco foi um triunfo, graças ao nióbio-estanho.

Nióbio-estanho para a vitória

Os ímãs de foco no atual LHC são feitos de nióbio-titânio, cujo limite de desempenho intrínseco é geralmente reconhecido como tendo sido atingido em 8 a 9 teslas em aplicações de acelerador.

O HL-LHC precisará de ímãs com cerca de 12 teslas, cerca de 250, 000 vezes mais forte do que o campo magnético da Terra em sua superfície.

"Então o que você faz? Você precisa ir a um maestro diferente, "Apollinari disse.

Os especialistas em ímã acelerador têm feito experiências com nióbio-estanho há décadas. A corrente elétrica que passa através de um supercondutor de nióbio-estanho pode gerar campos magnéticos de 12 teslas ou mais, mas apenas se o nióbio e o estanho, uma vez misturado e tratado termicamente para se tornar supercondutor, pode ficar intacto.

"Uma vez que eles reagiram, torna-se um belo supercondutor que pode transportar muita corrente, mas então também se torna frágil, "Apollinari disse.

Notavelmente frágil

"Se você dobrar demais, mesmo um pouco, uma vez que é um material reagido, soa como flocos de milho, "Amm disse." Você realmente ouve quebrar.

Ao longo dos anos, cientistas e engenheiros descobriram como produzir supercondutor de nióbio-estanho de uma forma que seja útil. Garantir que ele se manteria como a estrela de um ímã de foco HL-LHC foi outro desafio.

Berkeley, Os especialistas do Brookhaven e do Fermilab fizeram isso acontecer. Seu processo de montagem é delicado, envolveu uma operação que equilibra a fragilidade do nióbio-estanho contra as mudanças massivas de temperatura e pressão que sofre ao se tornar o principal jogador em um futuro ímã colisor.

O processo começa com fios contendo filamentos de nióbio em torno de um núcleo de estanho, fornecido por um fabricante externo. Os fios são então fabricados em cabos em Berkeley da maneira certa. As equipes de Brookhaven e Fermilab então enrolam esses cabos em bobinas, cuidado para não deformá-los excessivamente. Eles aquecem as bobinas em uma fornalha 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.

Tendo sido reagido na fornalha, o nióbio-estanho está agora em sua forma mais frágil, por isso é tratado com cuidado enquanto a equipe o cura, embutindo-o em uma resina para se tornar um sólido, bobina forte.

Essa bobina agora está pronta para servir como um dos quatro pólos do ímã de focalização. O processo leva vários meses para cada pólo antes que o ímã completo possa ser montado.

"Porque essas bobinas são muito poderosas quando são energizadas, há muita força tentando separar o ímã, "Pong disse." Mesmo que o ímã não esteja deformando, no nível do condutor, haverá uma tensão, ao qual o desempenho do nióbio-estanho é muito sensível. O gerenciamento do estresse 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 focalização HL-LHC pesa cerca de uma tonelada e deve ser tratada termicamente por igual - por dentro e por fora.

"Você tem que controlar bem a temperatura. Caso contrário, a reação não nos dará o melhor desempenho, "Pong disse." É um pouco como cozinhar. Não se trata apenas de 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 umas com as outras.

"Você precisa de uma precisão de campo muito alta, então temos que ter uma precisão muito alta em como eles os alinham para obter uma boa uniformidade de campo magnético, um bom campo quadrupolo, "Amm disse.

A engenharia refinada que entra nos ímãs HL-LHC dos EUA se aprimorou ao longo das décadas, com uma recompensa que está energizando a comunidade de aceleradores de partículas.

"Este será o primeiro uso de nióbio-estanho em ímãs de foco de acelerador, então será muito emocionante ver uma tecnologia tão complexa e sofisticada ser implementada em uma máquina real, "Amm disse.

"Sempre carregamos o peso da responsabilidade, a esperança nos últimos 10, 20 anos - e se você quiser ir mais longe, 30, 40 anos - com foco nesses ímãs, no desenvolvimento do condutor, todo o trabalho, "Pong disse." Finalmente, estamos chegando lá, e realmente queremos ter certeza de que será um sucesso duradouro. "

As muitas partes móveis de uma colaboração de acelerador

Garantir o sucesso duradouro tem tanto a ver com a coreografia operacional quanto com a engenharia requintada. A condução de uma logística que abrange anos e um continente exige uma coordenação meticulosa.

"O planejamento e a programação são muito importantes, e eles são bastante desafiadores, "Pong disse." Por exemplo, comunicação de transporte:temos que nos certificar de que as coisas estão bem protegidas. Caso contrário, esses itens caros podem ser danificados, então temos que prever os problemas e evitá-los. Os atrasos também impactam todo o projeto, portanto, temos que garantir que os componentes sejam despachados para o destino em tempo hábil. "

Amm, Apollinari e Pong reconhecem que a equipe de três laboratórios superou os desafios com competência, operando como uma máquina bem oleada.

“As tecnologias desenvolvidas no Fermilab, Brookhaven e Berkeley ajudaram a tornar o LHC original um sucesso. E agora de novo, essas tecnologias dos EUA estão realmente ajudando o CERN a ter sucesso, "Amm disse." É um time dos sonhos, e é uma honra fazer parte disso. "

O projeto de atualização do acelerador com base nos EUA para o HL-LHC, dos quais o projeto do ímã de focalização é uma peça, começou em 2016, crescendo a partir de um programa de P&D predecessor de 2003 que se concentrava em projetos de tecnologia de aceleradores semelhantes.

De agora até cerca de 2025, os laboratórios dos EUA continuarão a construir grandes, tubos pesados, começando com finos fios de nióbio e estanho. Eles planejam começar a entregar em 2022 o primeiro de 16 ímãs, mais quatro sobressalentes, para o CERN. A instalação ocorrerá nos três anos seguintes.

“As pessoas dizem que 'touchdown' é uma palavra muito bonita para descrever a aterrissagem de um avião, porque você tem um enorme objeto de metal pesando centenas de toneladas, descendo do céu, tocando uma pista de concreto muito suavemente, "Pong disse." Esses ímãs não são muito diferentes disso. Nossos ímãs são enormes dispositivos supercondutores, focalizando minúsculos feixes de partículas invisíveis que estão voando perto da velocidade da luz através do orifício. É muito mágico. "

A magia começa em 2027, quando o LHC de alta luminosidade estiver online.

"Estamos fazendo hoje o trabalho que futuros jovens pesquisadores usarão em 10 ou 20 anos para expandir a fronteira do conhecimento humano, assim como aconteceu quando eu era um jovem pesquisador aqui no Fermilab, usando o Tevatron, "Apollinari disse." É uma passagem geracional do bastão. Precisamos fazer as máquinas para as gerações futuras, e com esta tecnologia, obviamente, o que podemos habilitar para a geração futura é muito. "