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Energia

Feixe de acelerador de partículas é medido em 6 dimensões

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/08/2018

Feixe de acelerador de partículas é medido em 6 dimensões
Esta representação artística ilustra uma medição do feixe em um acelerador de partículas, demonstrando que a complexidade estrutural do feixe aumenta quando medida em dimensões progressivamente maiores. Cada aumento na dimensão revela informações que estavam ocultas anteriormente.
[Imagem: Jill Hemman/Oak Ridge National Laboratory]

Medição em 6 dimensões

Físicos conseguiram pela primeira vez caracterizar um feixe de um acelerador de partículas em seis dimensões, o que permitirá melhorar o desempenho dos aceleradores atuais e planejados em todo o mundo, além de permitir uma melhor interpretação dos dados recolhidos das colisões.

"Nosso objetivo é entender melhor a física do feixe, para que possamos melhorar a forma como os aceleradores operam," disse Sarah Cousineau, da Universidade do Tennessee, nos EUA. "Parte disso está relacionado a ser capaz de caracterizar ou medir completamente um feixe no espaço 6D - e isso é algo que, até agora, nunca havia sido feito."

Mas se os físicos ainda estão tentando entender a quinta dimensão, como é que agora eles falam em descrever um feixe de partículas em seis dimensões?

É que aqui o assunto é diferente: O espaço de seis dimensões a que Cousineau se refere é como o espaço 3D que detectamos com nossos sentidos, mas inclui três coordenadas adicionais nos eixos x, y e z para rastrear o movimento ou a velocidade.

Em outras palavras, um feixe de partículas é totalmente descrito por seis parâmetros: A posição da partícula na seção transversal do feixe (horizontal e vertical), seu respectivo momento, a energia da partícula e um parâmetro chamado fase da partícula, que é determinado pelo seu tempo de chegada a um detector. Há, portanto, seis coordenadas para uma descrição completa do feixe: logo, uma distribuição de seis dimensões (6D).

Feixe de acelerador de partículas é medido em 6 dimensões
A maldição da dimensionalidade: apenas um dos parâmetros, ou dimensões, variando conforme muda a energia do feixe.
[Imagem: Brandon Cathey et al. - 10.1103/PhysRevLett.121.064804]

Maldição da dimensionalidade

Os resultados trouxeram seus próprios desafios.

Tentativas anteriores de caracterizar completamente um feixe de acelerador haviam sido vítimas do que os físicos chamam de "maldição da dimensionalidade", na qual as medidas em baixas dimensões tornam-se exponencialmente mais difíceis em dimensões mais altas.

"Já vimos que o feixe tem uma estrutura tão complexa no espaço 6D que você não pode ver abaixo de camadas 5D e as camadas de complexidade não podem ser desembaraçadas," disse Cousineau. "A medição também revelou que a estrutura do feixe está diretamente relacionada à intensidade do feixe, que fica mais complexa à medida que a intensidade aumenta."

A solução foi obtida graças a duas contribuições bastante distintas: Um novo quadrupolo de radiofrequência - o primeiro elemento de aceleração, localizado logo no início do acelerador - e tempo, muito tempo para realizar as medições. Para não ter que paralisar totalmente as pesquisas de um acelerador de verdade, a equipe usou um acelerador-laboratório, que a universidade precisou construir como parte dos esforços para modernizar o SNS (Spallation Neutron Source), o maior acelerador de nêutrons do mundo, localizado no Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA.

O objetivo final é modelar todo o feixe, incluindo eliminar ou minimizar o chamado halo do feixe, ou perda de feixe, quando as partículas viajam para os extremos externos do feixe e se perdem. O desafio mais imediato, concluiu a equipe, será encontrar ferramentas de software capazes de analisar os cerca de 5 milhões de pontos de dados gerados pela medição 6D em tempo real, para que os aceleradores possam tirar partido dessas medições "extradimensionais".

Bibliografia:

Artigo: First Six Dimensional Phase Space Measurement of an Accelerator Beam
Autores: Brandon Cathey, Sarah Cousineau, Alexander Aleksandrov, Alexander Zhukov
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 121 (6)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.064804






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