Aceleradores de Partículas

Raphael Liguori NetoAbril 2006

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Interação da radiação com a matéria

Raphael Liguori Neto

Aceleradores de Partículas

Raphael Liguori NetoAbril 2006

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““Porque fazemos a Física que fazemos”Porque fazemos a Física que fazemos”

““Como fazemos a Física que fazemos”Como fazemos a Física que fazemos”

Como fazemos?Através do estudo da colisão entre partículas (nucleons ou núcleos)

Aa

antes

depois

A

A

A

AReações diretas (rápidas)

A

A

Aa

antes depois

N.CA+a

Fusão completa

N.C´A+x

N.CA+a

F 1

F2

Fusão Incompleta

Fissão

Processos estatísticos (lentos)

Evento PeriféricoEvento Periférico

Evento CentralEvento Central

Mas como fazemos mesmo?

1) produzir feixes de partículas (elétrons, prótons e núcleos) numa ampla margem de energias (desde alguns MeV até dezenas de TeV, que serão uti- lizados para investigar as estruturas subatômicas dos núcleos e nucleons. Quanto menor o comprimento de onda da partícula (= h/p), maior deverá ser o momento (energia) da mesma.

2) gerar novas partículas e novos estados da matéria, visto que a energia ciné- tica das partículas aceleradas pode ser convertida em energia de ligação para criar núcleos mais pesados ou mesmo novas partículas (E=mc2).

Utilizando aceleradores para

Tipos de Aceleradores Aceleradores Eletrostáticos: O mais simples dos

aceleradores, que utiliza o campo elétrostático gerado por uma diferença de potencial para acelerar partículas carregadas. F=qE e E=V/d.

e-

0V 1V

Exemplos: Gerador Van de Graaff, Tandems e Pelletrons.

Limite: 30-40 MeV para prótons.

Unidade de energia => elétron-Volt

CK

20

RK

22

0RK

Evm21E1Se

cv,

111),(cmE

Para um elétron de 1 eV => v/c= 0,002

Outras definições e conceitos

2) Secção de Choque – medida da probabilidade para cada tipo de interação

bR

Visão Clássica =R2 (Secção de choque geométrica) []=Área

1) Energia - Unidade no SI - Joule (J) Física Nuclear e Partículas - eV (MeV, GeV) 1 MeV => 1,6x10-13 J Feixe de 16O com 64 MeV de Energia => v/c ~ 0,089

(RHIC – 197Au - E~200 GeV/n => v/c =0.99995)

E a Quântica? Embora a visão geométrica não seja correta o conceito de secção de choque permanece

Valores típicos de :10-16 cm2(atômico) 10-26 cm2 (nuclear)A secção de choque depende fortemente da energia :=(E)

(1 barn =10-24 cm2)

ddbb

ddbb

dd

sen2

sen21

Secção de choque diferencial detetor

Márcia – 04/05

ΔΩdΩdσNNY FA

O que medimos

Número de partículas do alvo por unidade de área

Número de partículas do feixe

Ângulo sólido

integração de Tempo - T feixe do corrente - i

carga de estado - Z integradaCarga-Q

ZeTi

ZeQN

alvo do atômica Massa - M AvogadrodeNúmero-N

alvo do espessura -t densidade- ρ

MNtN

F

0

0A

;

;

Valores TípicosAlvo de Ouro de espessura t=2,5x10-6 cm; =19,3 g/cm3

M=197 e N0=6,02x1023 => NA=1,5x1017 átomos/cm2

Feixe de 16O estado de carga Z=8 ; corrente 10 nA, T=1 s => NF=8x109

Ângulo sólido =10-4 rad e d/d=10 b (=10-23 cm2) Y=1 , ou seja, serão detetadas 1 partícula por segundo!

Elementos Básicos de um Acelerador

Fonte de íons

Cavidade de Aceleração

Área Experimental

Elementos ópticos

Controle e Aquisição de dados

Pelletrons

0VTensão Terminal

+++++

+++++

Partic. Pos.

Stripper

Partic. Neg.

Cyclotrons e BetatronsDevido à dificuldade de manter altas tensões, Ernest Lawrence sugeriu utilizar um campo magnético para curvar a trajetória das partículas e variar a polaridade do campo Elétrico para a cada semi-rotação das partículas, estas sejam aceleradas gradativamente.

Partículas são aceleradas por campos eletro-magnéticos gerados em cavidades ressonantes de alta frequência.

Electron Linacs.Stanford 3 Km que produz elétrons de até 20 GeV.

Proton Linacs.Los Alamos tem um Linac de prótons de até 800 MeV.

Heavy Nucleus Linacs.LAFN-IF/USP

Aceleradores Lineares (Linacs)

Partículas são aceleradas em cavidades rf como no caso dos Linacs, porém, o feixe é mantido em uma trajetória circular de forma que as partículas sofram aumento de energia a cada volta. Dipolos magnéticos são utilizados para curvar o feixe de partículas e quadrupolos são utilizados para manter o mesmo colimado.

Synchrotrons podem acelerar elétrons, prótons e nucleos mais pesados. Synchrotrons de elétrons emitem grande quantidade de fótons de baixo comprimento de onda, conhecido como radiação de luz sínchroton.

Exemplo: LNLS em Campinas SP

Synchrotrons

O preço que se paga para trabalhar no referencial do laboratório é muito grande. Experimentos de alvo fixo perdem muita energia devido ao movimento do centro de massa. No caso de colliders, com feixes de mesma massa, o CM é fixo, e toda energia dos feixes é convertido para a reação. Por exemplo, a colisão de 2 feixes de prótons a 21.6 GeV corresponde a um experimento de alvo fixo com feixe de 1 TeV.

Colliders

Se utiliza de todas as tecnologias para acelerar as partículas.

Super Colliders

Alguns dos principais aceleradores BNL (NY)

Collider com 2 feixes de núcleos variados (Au) com colisões de até 40 TeV .Em 1974 efetuou se a descoberta do quark charm com a medida da partícula J/juntamente com SLAC.

FERMILAB Collider com 2 feixes de prótons e antiprótons onde se descobriram os quarks top, bottom e o neutrino tau.

SLACAcelerador linear que acelera elétrons e pósitrons para variadas aplicações. Participou da descoberta do quark charm e também do lepton tau.

CERNLHC: Large Hadrons Collider.LEP: Large Electron-Positron Collider.SpS: Super Proton Synchroton.Descoberta dos bósons W e Z e onde iniciou a Internet.

DASYDois aceleradores: HERA e PETRA que colidem elétrons com prótons.No PETRA foi confirmado a existência do Glúon.

KEKSynchroton de protons e de elétrons. Com larga produção de B-mésons. Em conjunto com o Super Kamiokande, investigam a mssa do neutrino.

LNLSLaboratório Nascional de Luz Sínchroton em Campinas com energia de operação de 1.37 GeV.

LAFNLaboratório Aberto de Física Nuclear-IF/USP.Tandem de 8MeV + Linac.Importantes estudos nas áreas de física nuclear de baixa e média energia.