Aceleradores de Partculas Novidades e Oportunidades Profa Karen

Aceleradores de Partículas: Novidades e Oportunidades Profa. Karen Fiuza, Ph. D. Universidade de Caxias do Sul

Resumo �Parte I �O que são aceleradores de partículas? �Introdução à física de aceleradores �Desenvolvimento de aceleradores �Um pouco de história dos aceleradores �Um pouco da minha história �UMER �Parte II �Para que servem? Aplicações: diversão e ciência �Principais centros de pesquisa e desenvolvimento �Comunidade internacional �Parte III �Oportunidades para graduandos, engenheiros, e pós- graduandos � No Brasil e no mundo

Parte I – O que são aceleradores de partículas? Desde objetos obsoletos até bilionários projetos modernos. Definição: “Um acelerador de partículas é um dispositivo que usa campos eletromagnéticos para propulsar partículas carregadas a altas velocidades e restringi-las em feixes bem definidos. ” Existem mais de 30 mil aceleradores em operação no mundo.

Parte I – O que são aceleradores de partículas? Antigamente, todo mundo tinha um em casa:

Parte I - Unidades de Energia - e. V �A unidade básica de energia em física de aceleradores de partículas é o elétron-volt e. V : a energia que uma partícula de carga elementar 1 e iria ganhar caso fosse acelerada pela diferença de potencial de 1 V.

Parte I – Tipos gerais de aceleradores �Divididos em dois grupos: lineares e circulares �LINEAR – ex: SLAC – Stanford Linear Accelerator Laboratory – California, USA (ao redor de 3 km) �CIRCULAR – ex: FERMILAB – Fermi National Accelerator Laboratory– Chicago, USA (25, 6 km 2) Tevatron

Parte I – Tipos de aceleradores lineares � Aceleradores eletrostáticos: tubo de raios catódicos, geradores em cascata (Cockcroft-Walton), Van de Graaff. � Acelerador linear por indução: campos magnéticos variando lentamente � Aceleração por campos de radiofrequências (EMF): tipo de aceleração utilizada pelos aceleradores de altas energias (abaixo, estrutura do linac de Wideroe)

Parte I – História dos aceleradores � 1909: Millikan mediu a carga elétrica do elétron. � 1913: Primeiro experimento realizado por J. Franck e G. Hertz para excitar átomos utilizando elétrons acelerados. � 1914: Marsden produziu o primeiro feixe de prótons irradiando parafina com partículas alfa. � 1920: H. Greinacher construiu o primeiro gerador em cascata � 1922: R. Wideroe como estudante de pós-graduação desenhou um transformador para acelerar partículas. � 1924: Ising inventou um linac de elétrons utilizando tubos “drift” e excitação por “spark gap”. � 1928: P. A. M. Dirac predisse a existência de pósitrons. � 1931: Van de Graaf construiu o primeiro gerador de alta tensão. � 1932: Lawrence e Livingston acelerou o primeiro feixe de prótons utilizando um cíclotron de 1. 2 Me. V. � 1932: Cockcroft e Walton usaram um gerador em cascada aperfeiçoado para acelerar prótons e iniciaram a primeira reação atômica artificial: Li + p -> 2 He.

Wilhelm Conrad Röntgen

Parte I – Introdução à física de aceleradores Linac simplificado - V+

Parte I – História dos aceleradores � 1932: C. D. Anderson descobriu pósitrons. J. Chadwick descobriu nêutrons. H. C. Urey descobriu deutério. � 1939: W. W. Hansen, R. Varian e seu irmão S. Varian inventaram tubos de microondas de klystron. � 1941: Kerst e Serber completaram o primeiro betatron funcional. � 1945: Blewett descobriu experimentalmente a radiação síncrotron medindo a perda de energia dos elétrons. � 1947: Alvarez desenhou o primeiro acelerador linear de prótons em Berkeley. � 1947: Ginzton e outros, aceleraram elétrons até 6 Me. V em Stanford. � 1949: E. M. Mc. Millan comissionaram um síncrotron de elétrons de 320 Me. V. � 1952: Livingston e outros desenharam o Cosmotron, de 2. 2 Ge. V em Brookhaven.

Parte I – História dos aceleradores 13000 V 69 cm 27 MHz Ernest Lawrence, 1932 - Cíclotron

Parte I – Tipos de aceleradores circulares �Betatron �Cíclotron �Síncrotron: acelerador de raio constante �Síncrotron de elétrons e de fontes de luz �Ex. : Radiação síncrotron - maior acelerador brasileiro (LNLS: Laboratório Nacional de Luz Síncroton)

Parte I – Introdução à física de aceleradores �Equações de Maxwell Primeiro desenho para um betatron

Parte I – Frequência cíclotron A frequência não depende do raio, se a massa é constante. Quando as partículas se tornam relativísticas, isto não é mais válido. A frequência deve mudar com a velocidade da partícula (sincrocícloton). O campo também pode mudar com o raio (cíclotron isocrono). * Importante para aceleração por campos RF

Parte I – Partes principais

Parte I – Aceleradores no mundo �Dos mais de 30 mil aceleradores de partículas que existem no mundo, apenas ~1% são máquinas utilizadas para pesquisa, com energias acima de 1 Ge. V. �~44% são utilizados para radioterapia �~41% para implantação de íons �~9% para processamento industrial e pesquisa na indústria �~4% para biomedicina e outras pesquisas de baixa energia

Parte I – Os maiores aceleradores de partículas 1 - LHC – Large Hadron Collider – CERN : 27 km de circunferência, aproximadamente 100 m abaixo da superfície. Produz colisões entre prótons a energias de até 8 Te. V, e mesmo 13 Te. V. Prótons estarão a 99. 9999991% c, a uma taxa de 40 milhões de colisões por segundo.

Atlas: http: //virtual-tours. web. cern. ch/virtual-tours/vtours/ATLAS. html CMS: http: //virtual-tours. web. cern. ch/virtual-tours/vtours/CMS. html

Parte I – Os maiores aceleradores de partículas 2 - Tevatron – FERMILAB - USA: Síncrotron que acelerava prótons e anti-prótons em 6. 86 km, com energias de até 1 Te. V. Ficou pronto em 1983 em um custo de $120 milhões de dólares. Segundo acelerador mais energético que já existiu. FEL: Free electron laser: https: //www. youtube. com/watch? v=Fi 3 j. UOEm 4 Rc

Parte I – Os maiores aceleradores de partículas � 3 - Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – Laboratório Nacional de Brookhaven, NY. É um dos dois únicos colisionadores de íons pesados, e o único colisionador de prótons que tem o spinpolarizado no mundo (para estudar a estrutura do spin). É o único colisionador de partícular em operação nos EUA. É atualmente o segundo maior em energia no mundo.

LNLS: Laboratório Nacional de Luz Síncrotron �https: //www. youtube. com/watch? v=e. OCngne. DQXc Energia: 3 Ge. V Circunferência: 518. 2 m Corrente máxima: 500 m. A Frequência RF: 500 MHz

Parte I – Motivação � http: //video. businessinsider. com/7 edb 9 -abd 8 -4 a 41 -aa 0 fcdf 170 a 2 cf 09. mp 4 � Aplicações práticas � Pura curiosidade (ciência pura) � Avanços para a Humidade � “Ao longo do tempo, nós temos descoberto que, cada vez que aprendemos algo novo a respeito da natureza, a informação é utilizada pelos nossos filhos ou pelos filhos dos nossos filhos para ajudá-los a sobreviver. Nós não sabemos exatamente para onde nossas descobertas e medidas irão nos levar. É muito cedo para dizer. Mas, nós sabemos que iremos contribuir significamente para nosso entendimento do mundo. E, como seres humanos, não temos outra escolha se não seguir adiante. É uma questão de sobrevivência. ” Steve Goldfarb, físico de partículas no ATLAS.

Parte I – Um pouco da minha história �Mestrado: “Estabilização de caos em universos hiperbólicos compactos” – UFRGS 2004 �Doutorado: “Efeito de carga imagem na dinâmica de feixes intensos de partículas carregadas” – UFRGS 2008

Parte I – UMER – University of Maryland Electron Ring Energia baixa, alta intensidade 10 ke. V 100 m. A β=0, 2 C=11, 52 m de circunferência Feixe de elétrons de raio < 1 cm Feixe de 40 ns, tempo de 198 ns para uma volta Tempo de vida: 100 voltas Missão: modelo para estudo de efeito de “space-charge” (carga espacial) em feixes de alta intensidade, e outros problemas encontrados em feixes deste tipo, tais como ressonâncias de diversos tipos.

Parte I – Pós-doutorado na Universidade de Maryland �O que é um pós-doutorado? �Heavy Ion Fusion Project: energia �http: //hif. lbl. gov/ �Aumentar a energia para 40 ke. V �Simulações �Automação �Ressonâncias

Parte I – Grupo UMER

Parte I – Ciclotron kids �https: //thecyclotronkids. wordpress. com/ �http: //www. physicscentral. com/explore/multimedia/ cyclotron. cfm Peter, Heide e German

Parte I – Física de aceleradores: o que é necessário saber para construir um ciclotron? �Ciclotron: �Eletrônica básica �Magnetos ou eletroímãs �Campos eletromagnéticos �Alta frequência �Câmera de vácuo �Sensores �Radiação / segurança � Fonte: https: //thecyclotronkids. files. wordpress. com/2013/05/cyclotron- master-document-09 -09 -012 -3 -00. pdf

Parte I – Projetos educacionais ao redor do mundo �Particle Physics Education Sites �http: //particleadventure. org/othersites. html �The Particle Adventure �http: //www. particleadventure. org/ �CERN Education �http: //education. web. cern. ch/education/ �Contemporary Physics Education Program �http: //www. cpepphysics. org/Class_act. html

Parte II – Para que serve? �Física Nuclear �Física de Altas Energias �Radiação Síncroton �Geração de energia �Indústria �Radiação coerente �Medicina �etc

Parte II – Aplicações: Física nuclear e de altas energias

Parte II – Aplicações: Radiação Síncrotron �Radiação Síncroton �Física atômica e molecular �Física da matéria condensada �Ciências da Terra �Ciência dos materiais �Química �Biologia celular e molecular �Física de superfícies e interfaces

Parte II – Aplicações em ciências dos materiais �https: //en. wikipedia. org/wiki/List_of_synchrotron_ra diation_facilities

Parte II – Aplicações na indústria �Radiografia por raios-x �Implantação de íons �Produção de isótopos / separação �Testes com/de materiais �Esterilização de comida �Litografia

Parte II – Aplicações na medicina �Radioterapia �Cirurgia cerebral �Física da saúde �Microcirurgia com FEL �Produção de materiais médicos e isótopos

Parte II – Aplicações inusitadas �Máquina do tempo (pelo menos para os pi-mésons) �Produzir recordes de temperatura (tanto baixas 271. 27°C no LHC, como altas 4* trilhões de graus Kelvin – Brookhaven e até mais no CERN) �Descobrir que um furão também pode limpar partes de um acelerador de partículas

Parte II – Aplicações inusitadas �Onde Ciência e Diversão se misturam. �http: //www. capturedlightning. com/ �Acelerador de partículas de 5 milhões de Volts �https: //www. youtube. com/watch? v=h 57 x. Nx. G_t. Sg

Parte II – Comunidade internacional �PAC – Particle Accelerator Conference �IPAC �EPAC �Schools �Internship �Collaborations �International magazines

Parte III - Oportunidades http: //www. symmetrymagazine. org/article/april-2010/a -field-where-jobs-go-begging

Parte III – Oportunidades: Escolas �US Particle Accelerator School: http: //uspas. fnal. gov/ �CERN Accelerator School: https: //cas. web. cern. ch/cas/ �Nordic Particle Accelerator School: http: //www. eit. lth. se/index. php? ciuid=922&L=1 �Second Mexican Particle Accelerator School: http: //mepas 2. wix. com/mepas 2015 �Workshops e Escolas no Brasil (LNLS): http: //cnpem. br/noticias-e-eventos/ �http: //www. sbfisica. org. br/~evjasfne/xviii/

Parte III – Oportunidades: Pós-graduação �https: //jobs. web. cern. ch/join-us/students �https: //careers. slac. stanford. edu/jobsslac/educational-and-outreach-programs �https: //graduateland. com/

Parte III – Oportunidades: Trabalho �https: //jobs. web. cern. ch/join-us/professionals �http: //cnpem. br/cnpem/oportunidades/ �http: //uspas. fnal. gov/opportunities/jobs/index. shtml �https: //careers. slac. stanford. edu/ �http: //www. radiabeam. com/cms/Careers. html �https: //www. ornl. gov/

Parte III – Aceleradores ao redor do mundo �http: //www-elsa. physik. unibonn. de/accelerator_list. html

www. facebook. com/profefisika http: //kfiuzabrasil. wix. com/profefisika Muito obrigada!