Aceleradores de Partículas ? Raphael Liguori Neto Abril 2006

Interação da radiação com a matéria Raphael Liguori Neto

Aceleradores de Partículas Raphael Liguori Neto Abril 2006

“Porque fazemos a Física que fazemos” Seminários Anteriores Introdução à Física Nuclear - Alejandro Introdução à Física de Partículas - Marina Introdução à Física Nuclear de Altas Energias - Alexandre Introdução à Astrofísica Nuclear – Marcelo Introdução à Biofísica Nuclear - Nelson “Porque fazemos a Física que fazemos” Próximos Seminários e Atividades Aceleradores de Partículas - Raphael Detetores de Partículas - Marcia Análise de Dados em Física Nuclear - Alexandre Atividade Prática Apresentação dos Alunos “Como fazemos a Física que fazemos”

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

depois antes A A A a A A Reações diretas (rápidas)

a A antes depois N.C A+a N.C´ A+x F1 F2 Fusão completa N.C´ A+x F1 F2 Fusão Incompleta Fissão Processos estatísticos (lentos)

Evento Periférico

Evento Central

Utilizando aceleradores para Mas como fazemos mesmo? Utilizando aceleradores para 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 (l= 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).

Tipos de Aceleradores Unidade de energia => elétron-Volt 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. Unidade de energia => elétron-Volt e- 0V 1V Para um elétron de 1 eV => v/c= 0,002 Exemplos: Gerador Van de Graaff, Tandems e Pelletrons. Limite: 30-40 MeV para prótons.

Outras definições e conceitos 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) 2) Secção de Choque – medida da probabilidade para cada tipo de interação b R Visão Clássica s=pR2 (Secção de choque geométrica) [s]=Área E a Quântica? Embora a visão geométrica não seja correta o conceito de secção de choque permanece Valores típicos de s :10-16 cm2(atômico) 10-26 cm2 (nuclear) A secção de choque depende fortemente da energia :s=s(E) (1 barn =10-24 cm2)

Secção de choque diferencial detetor Márcia – 04/05

O que medimos Número de partículas do alvo por unidade de área Ângulo sólido Número de partículas do feixe

Valores Típicos Alvo de Ouro de espessura t=2,5x10-6 cm; r=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 DW=10-4 rad e ds/dW=10 b (=10-23 cm2) Y=1 , ou seja, serão detetadas 1 partícula por segundo!

Elementos Básicos de um Acelerador Elementos ópticos Fonte de íons Cavidade de Aceleração Controle e Aquisição de dados Área Experimental

Pelletrons +++++ +++++ 0V Tensão Terminal Partic. Neg. Partic. Pos. Stripper

Cyclotrons e Betatrons Devido 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.

Aceleradores Lineares (Linacs) 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

Synchrotrons 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

Colliders 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.

Super Colliders Se utiliza de todas as tecnologias para acelerar as partículas.

Alguns dos principais aceleradores KEK Synchroton de protons e de elétrons. Com larga produção de B-mésons. Em conjunto com o Super Kamiokande, investigam a mssa do neutrino. LNLS Laboratório Nascional de Luz Sínchroton em Campinas com energia de operação de 1.37 GeV. LAFN Laboratório Aberto de Física Nuclear-IF/USP. Tandem de 8MeV + Linac. Importantes estudos nas áreas de física nuclear de baixa e média energia. DASY Dois aceleradores: HERA e PETRA que colidem elétrons com prótons. No PETRA foi confirmado a existência do Glúon. CERN LHC: Large Hadrons Collider. LEP: Large Electron-Positron Collider. SpS: Super Proton Synchroton. Descoberta dos bósons W e Z e onde iniciou a Internet. 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/Y, juntamente com SLAC. FERMILAB Collider com 2 feixes de prótons e antiprótons onde se descobriram os quarks top, bottom e o neutrino tau. SLAC Acelerador linear que acelera elétrons e pósitrons para variadas aplicações. Participou da descoberta do quark charm e também do lepton tau.