Brasileiros descobrem como aumentar eficiência dos aceleradores de partículas

Com informações da Agência Fapesp -  11/06/2018

Embora a versão atual esteja em plena atividade, já está pronto o projeto do novo LHC.[Imagem: Daniel Dominguez/Maximilien Brice]

Aceleradores de partículas

Falar em aceleradores de partículas lembra logo instalações gigantescas, como o LHC (Large Hadron Collider), voltadas para a pesquisa fundamental em física de altas energias.

Mas existem inúmeros aceleradores bem menores, que são utilizados em medicina (exames por imagem ou tratamento de tumores), na indústria (esterilização de alimentos, inspeção de cargas, engenharia eletrônica) e em vários tipos de investigação (prospecção de petróleo, pesquisa arqueológica, estudo de obras de arte).

Qualquer que seja o objetivo, contudo, é necessário controlar o caos dos feixes de partículas para aumentar a eficiência em todas essas aplicações, incluindo a velocidade máxima atingida pelas partículas aceleradas.

Uma nova contribuição nessa área acaba de ser dada por Meirielen Caetano de Sousa e Iberê Luiz Caldas, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo.

Barreira contra o caos

Meirielen e Iberê idealizaram uma barreira de transporte que confina as partículas, impedindo que elas passem de uma região do acelerador para outra. Esse procedimento, ainda não efetivado em aceleradores comuns, já foi observado em tokamaks - reatores de formato toroidal utilizados em fusão nuclear -, nos quais o confinamento magnético das partículas impede que o plasma superaquecido entre em contato com as paredes do equipamento, que poderiam ser derretidas pelo calor.

Físicos planejam construir um "LHC" para quasipartículas, para estudar a matéria sólida. [Imagem: Fabian Langer/Universidade de Regensburg]

"Nos tokamaks, a barreira de transporte é obtida por meio de eletrodos, aplicados nas bordas do plasma, que alteram o campo elétrico. Em aceleradores, isso ainda não foi realizado. O que já se fez foi adicionar uma onda eletrostática com parâmetros bem definidos ao sistema. Ao interagir com as partículas, a onda consegue controlar o caos mas gera múltiplas barreiras, que não vedam a região de forma tão precisa. Trata-se de uma solução menos robusta. Em nosso estudo, modelamos um sistema com uma única barreira, a exemplo do que ocorre em tokamaks," detalhou Meirielen.

Essa barreira única e robusta deverá ser produzida por meio de uma perturbação magnética ressonante. Ao responder à perturbação, o plasma fica confinado em uma só região.

"Criamos o modelo, o descrevemos matematicamente e as simulações numéricas mostraram que ele funciona. Cabe agora levar a proposta aos físicos experimentais, para que a solução seja testada na prática," disse Meirielen.

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Controle do caos

As partículas usadas para análises, testes e imageamento são geradas por um canhão de elétrons - pela diferença de potencial entre o anodo e o catodo - ou pela aplicação de um pulso de laser ao plasma. E elas são então aceleradas por meio de ondas eletromagnéticas, que lhes fornecem sucessivos aportes de energia.

Recentemente, o Capitão Picard inaugurou um novo acelerador de partículas europeu. [Imagem: HUD/Divulgação]

"O que se espera de um acelerador é que todas as partículas cheguem juntas no final, sem se desviar no caminho, e mais ou menos com a mesma energia e velocidade. Se elas se comportam de forma caótica, isso não acontece. E o feixe deixa de servir para qualquer aplicação", explicou Iberê.

A barreira proposta pelos dois físicos brasileiros controla o caos, possibilita que a velocidade máxima alcançada pelas partículas aumente e que a velocidade inicial necessária diminua. Para uma onda de baixa amplitude, a velocidade final simulada aumentou 7% e a velocidade inicial diminuiu 73%.

Além do aumento da eficiência dos aceleradores, a pesquisa poderá ajudar a diminuir o uso das fontes radioativas.

"Hoje em dia, a emissão de partículas, para uso médico ou industrial, ainda é muito baseada no emprego de materiais radioativos. Decorrem disso vários problemas, como poluição, decaimento do material emissor com necessidade de reposição e altos custos. Os aceleradores evitam esses problemas. A utilização de radioisótopos está sendo parcialmente substituída por aceleradores. Daí o grande interesse em otimizar o funcionamento desses equipamentos," explicou o professor Iberê.

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Bibliografia:

Improving particle beam acceleration in plasmas
Meirielen Caetano de Sousa, Iberê Luiz Caldas
Physics of Plasmas
Vol.: 25, 043110
DOI: 10.1063/1.5017508