Tecnologia Científica

Após 20 anos, os físicos encontram uma maneira de rastrear as partículas perdidas do acelerador
Calcular a física do feixe é tão complexo que nem mesmo os supercomputadores mais rápidos conseguem acompanhar.
Por Jeremy Rumsey - 23/02/2021


A ilustração traça o caminho do feixe à medida que ele passa pelo quadrupolo de cobre da radiofrequência, o ímã dipolo preto e o sistema de medição com fenda e chega ao detector de partículas. A complexidade estrutural da viga aumenta quando medida em resoluções progressivamente mais altas. Crédito: ORNL / Jill Hemman

Um feixe acelerador de alta intensidade é formado por trilhões de partículas que correm à velocidade da luz por um sistema de ímãs poderosos e supercondutores de alta energia. Calcular a física do feixe é tão complexo que nem mesmo os supercomputadores mais rápidos conseguem acompanhar.

No entanto, uma conquista importante por físicos aceleradores do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) permitiu que as caracterizações de feixe fossem estudadas em novos detalhes extraordinários. Eles usaram uma técnica de medição recentemente desenvolvida para entender melhor a perda do feixe - partículas perdidas que viajam para fora dos campos de confinamento do acelerador . Mitigar a perda do feixe é fundamental para obter aceleradores mais poderosos em escalas menores e custos mais baixos.

"É um problema que nos assombra há mais de 20 anos", disse o físico do acelerador ORNL Alexander Aleksandrov. "A perda de feixe é provavelmente o maior problema para aceleradores de alta intensidade, como o Large Hadron Collider no CERN e a Spallation Neutron Source (SNS) aqui em Oak Ridge."

Operando a 1,4 megawatts, o SNS é uma das principais instalações de pesquisa do DOE que aproveita os nêutrons para estudar energia e materiais em escala atômica. Os nêutrons são criados no SNS impulsionando grupos, ou pulsos, de prótons a quase 90 por cento da velocidade da luz no acelerador linear da instalação - ou linac. No final do linac, os pulsos de feixe de prótons se chocam contra um recipiente de metal cheio de mercúrio líquido em turbilhão a uma taxa de 60 vezes por segundo.

As colisões atômicas criam fragmentos de nêutrons - cerca de 20 nêutrons por próton. Os nêutrons então voam através de moderadores de energia e câmaras de vácuo para os instrumentos circundantes, onde os cientistas os usam para estudar como os átomos de um material estão dispostos e como se comportam. Essencialmente, aumentar a potência do acelerador aumenta o número de nêutrons criados, o que, por sua vez, aumenta a produtividade científica da instalação e permite novos tipos de experimentos.

"O ideal é que todas as partículas do feixe sejam concentradas em uma única nuvem muito compacta. Quando as partículas se dispersam, elas formam nuvens de baixa densidade, chamadas de halo de feixe. Se o halo ficar muito grande e tocar as paredes de o acelerador, que resulta na perda do feixe e pode criar efeitos de radiação e outros problemas ", disse Aleksandrov.
 
Em vez de fazer as medições no SNS, a equipe usou uma réplica do SNS linac no Beam Test Facility do ORNL. O uso de uma réplica permite que os pesquisadores conduzam estudos de física avançados no acelerador sem interromper os experimentos nas instalações de produção de nêutrons reais.

A técnica de medição avançada é baseada na mesma abordagem que os pesquisadores usaram em 2018 para fazer a primeira medição do feixe do acelerador de partículas em seis dimensões . Enquanto o espaço 3-D inclui pontos nos eixos x, y e z para medir a posição, o espaço 6D tem três coordenadas adicionais para medir o ângulo de uma partícula, ou trajetória.

"A técnica é bastante simples. Pegamos um bloco de material com várias fendas que usamos para cortar pequenas amostras do feixe. Isso nos fornece um feixe de luz contendo um número menor e mais gerenciável de partículas que podemos medir , e podemos mover esse bloco para medir outras seções do feixe ", disse Aleksandrov.

As amostras de feixe foram extraídas de um dos principais componentes de aceleração do linac, chamado linha de transporte de feixe de energia média, ou MEBT. A réplica MEBT, com cerca de 4 metros de comprimento, inclui um raspador de feixe para reduzir o halo inicial do feixe e oferece mais espaço do que os MEBTs típicos para outras ferramentas de diagnóstico.

"Mas, em vez de cortar o espaço de fase 6D, desta vez nós apenas cortamos amostras no espaço de fase bidimensional", disse ele. "Basicamente, se você pode medir em seis dimensões com resolução razoável, então você pode medir em dimensões menores com resolução muito maior."

Usando as medições 6D como uma abordagem de linha de base, medir em 2-D desbloqueou um nível radicalmente melhorado de resolução de 1 parte por milhão. Uma parte por milhão é significativa para os aceleradores modernos por duas razões, de acordo com Aleksandrov. É a densidade máxima permitida na qual o halo do feixe é gerenciável e é o nível de resolução, ou faixa dinâmica, necessário para validar e construir simulações de modelagem de computador mais precisas do efeito do halo do feixe.

"No passado, a modelagem de feixe neste nível era uma tarefa impossível porque os computadores não eram capazes de calcular bilhões de partículas; e agora eles podem, mas não pode ser feito com precisão sem essas distribuições iniciais de feixe", disse Kiersten Ruisard , um pesquisador de pós-doutorado de Clifford G. Shull no ORNL. "Não conhecemos nenhum modelo que preveja os padrões de perda do feixe medidos no acelerador real. Testar nossos modelos com esse nível de precisão sem precedentes é necessário para construir simulações mais robustas que nos ajudarão a mitigar essas perdas."

Medir o feixe em uma energia relativamente baixa de 2,5 megaeletronvolts forneceu aos pesquisadores insights sobre como modelar o feixe em energias mais altas. Aleksandrov disse que já está trabalhando no próximo aprimoramento da técnica, que envolverá o uso de lasers para medir o feixe com uma energia significativamente maior de 1 gigaeletronvolt. Essa atualização ainda vai demorar alguns anos.

Os resultados da pesquisa da equipe são publicados na revista científica Nuclear Instruments & Methods in Physics Research . Além de Aleksandrov, Cousineau e Ruisard, os autores do artigo incluem Alexander Zhukov do ORNL.

"Embora pudéssemos fazer aceleradores da classe de 100 megawatts agora, não é prático. Eles seriam muito grandes e muito caros", disse a física Sarah Cousineau, chefe da seção de ciência e tecnologia da Divisão de Aceleradores de Pesquisa do ORNL. "Melhorar a resolução da medição para níveis mais altos não apenas nos permite progredir no entendimento e simulação do halo do feixe , mas também avança nosso entendimento de como tornar os aceleradores mais poderosos, em escalas menores e com custos muito mais razoáveis."

 

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