A preparação de um momento magnético

Cientistas estão usando um robô de plástico e pedaços finíssimos de metal para montar um ímã que irá caçar uma nova física.

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Cindy Arnold, Fermilab

Artigo traduzido de Symmetry Magazine. Autor: Andre Salles.

Três verões atrás, uma equipe de cientistas e engenheiros do experimento Muon g-2 moveu um ímã circular com quase 16 metros por mais de 5000 km. Ele viajou sem se movimentar mais do que um par de milímetros, para que as frágeis bobinas dentro dele não tivessem danos irreparáveis. Foi um feito surpreendente que levou anos para ser planejado e exigiu imensa habilidade para ser executado.

Como se vê, essa foi a parte fácil.

A parte mais difícil – a criação de um campo magnético tão preciso que até mesmo as partículas subatômicas não encontram irregularidades – está em curso há sete meses. É um processo de trabalho intensivo que inspirou os cientistas a criar, muitas vezes, soluções de baixa tecnologia inteligentes para problemas específicos, trabalhando a partir de um roteiro escrito 30 anos atrás à medida que eles desbravavam o desconhecido.

O objetivo do Muon g-2 é dar seguimento a uma experiência semelhante realizada no Departamento de Energia do Laboratório Nacional de Brookhaven dos Estados Unidos, em Nova York, na década de 1990. Os cientistas construíram uma máquina extraordinária que gerou um campo magnético quase perfeito, no qual eles dispararam um feixe de partículas conhecidas como múons. O anel magnético serve como uma pista de corrida para os múons, e eles percorrem essa pista por durante toda sua existência – geralmente cerca de 64 milionésimos de segundo.

Isso é um piscar de olhos, mas é tempo suficiente para medir uma propriedade particular: a frequência do rodopio dos múons à medida que eles aceleram em torno do campo magnético. E quando os cientistas do Brookhaven fizeram essa medida, eles descobriram algo diferente do que o Modelo Padrão, a nossa imagem do Universo, previu. Eles não chegaram a capturar dados suficientes para reivindicar uma descoberta definitiva, mas as dicas eram tentadoras.

Agora, 20 anos depois, alguns desses mesmos cientistas – e dezenas de outros, a partir de 34 instituições em todo o mundo – estão conduzindo uma experiência semelhante com o mesmo ímã, mas alimentado por uma feixe de múons mais potente no Departamento de Energia dos EUA do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi em Illinois. Tirar esse ímã de Nova York causou uma grande celeuma entre o público entusiasta da ciência, mas isso não é nada comparado com o que uma descoberta do experimento Muon g-2 causaria.

“Estamos tentando determinar se o múon realmente está se comportando de maneira diferente do que o esperado”, diz Dave Hertzog, da Universidade de Washington, um dos porta-vozes do experimento Muon g-2. “E, em caso afirmativo, isso iria sugerir novas partículas entrando e saindo do vácuo, ou novas forças subatômicas trabalhando. Mais provavelmente, ela poderia ser algo que ninguém tenha pensado ainda. Em qualquer caso, é tudo muito excitante.”

Calços para reduzir a oscilação

Para começar a fazer essas medições, o campo magnético tem de ser o mesmo em toda a volta do anel de modo que, onde quer que os múons estejam, eles vão ver o mesmo caminho. É aí que Brendan Kiburg do Fermilab e um grupo de uma dúzia de cientistas, pós-doutores e alunos, entram. Nos últimos seis meses, eles “calçaram” o anel magnético, moldando-o a um nível quase inconcebivelmente exato.

“O principal objetivo dos calços é fazer com que o campo magnético seja tão uniforme quanto possível”, diz Kiburg. “Os múons se movimentam como piões, rodopiando a uma taxa proporcional ao campo magnético. Se uma seção do campo é um pouco maior ou um pouco menor, o múon vê isso, e vai ir mais rápido ou mais lentamente.”

Uma vez que a ideia seja medir a taxa do rodopio a um grau extremamente preciso, a equipe precisa moldar o campo magnético para um grau semelhante de uniformidade. Eles querem que as variações sejam menores que dez partes de um bilhão por centímetro. Para colocar isso em perspectiva, é como querer uma variação de não mais do que um segundo em quase 32 anos, ou uma folha em um rolo de papel higiênico que se estende de Nova York a Londres.

Como eles fazem isso? Em primeiro lugar, eles precisam medir o campo que eles têm. Com um eletroímã poderoso que irá afetar qualquer objeto de metal no seu interior, isso é muito complicado. A solução é um casamento da alta tecnologia com a baixa tecnologia: um carro feito de plástico resistente e quartzo, movido por uma polia ligada a um motor e continuamente monitorado por um laser. Neste carrinho estão sondas cheias com geleia de petróleo, sensores que medem a velocidade à qual o prótons da geléia giram no campo magnético.

O laser pode gravar a posição do carrinho a 25 mícrons, a metade da largura de um cabelo humano. Outros sensores medem a distância da parte superior e inferior do carrinho até o ímã.

“O carro se move através do campo à medida que ele é puxado em torno do anel”, diz Kiburg. “É preciso entre 2h a 2h30 para completar uma volta no anel. Há mais de 1500 locais em todo o caminho, e ele para a cada três centímetros por um breve momento, enquanto o campo é medido com precisão em cada local. Em seguida, essas medições fornecem um mapa completo do campo magnético.”

Erik Swanson, da Universidade de Washington, é o coordenador de execução desse projeto, o que significa que ele dirige a equipe enquanto eles medem o campo e realizam o calçamento intensivo manualmente. Ele também projetou as novas sondas de ressonância magnética que medem o campo e as atualizou a partir da tecnologia utilizada no Brookhaven.

“Elas são funcionalmente as mesmas”, diz ele, “mas a experiência do Brookhaven começou na década de 1990, e as velhas sondas foram desenhadas antes disso. Qualquer eletrônica com essa idade pode potencialmente parar de funcionar”.

Swanson diz que a precisão que a equipe teve para posicionar as peças de ferro do ímã para atingir o campo magnético desejado surpreendeu até a ele. Quando os cientistas ligaram pela primeira vez o ímã em outubro, a medida em lugares diferentes ao redor do anel variou em até 1.400 partes por milhão. Isso pode parecer bom, mas para um pequeno múon parece uma cadeia de montanhas de obstáculos. Para corrigir esse problema, a equipe do Muon g-2 faz centenas de ajustes minúsculos manualmente.

Física física

Em torno do anel estão cerca de 1000 botões que controlam a forma em que o campo poderia tornar-se não uniforme. Mas quando isso não é suficiente, o campo pode ser moldado, separando partes do ímã e inserindo pedaços extremamente pequenos de aço chamado de calços, alterando o campo por milionésimos de centímetros.

O ímã possui 12 seções, e leva um dia inteiro para ajustar apenas uma dessas seções.

Este processo baseia-se em simulações, calibrações e iterações e, a cada ciclo, a equipe avança um pouco para atingir sua meta, guiados por previsões matemáticas. Uma vez que o processo de inserção destes calços, alguns tão finos quanto 12,5 mícrons, é feito cuidadosamente, eles remontam o ímã e medem o campo novamente, refinando o processo e aprendendo a cada repetição.

“É fascinante o quão difícil pode ser um problema que parece fácil”, diz Matthias Smith, da Universidade de Washington, um dos alunos que ajudaram a projetar o robô de plástico. “Estamos fazendo ajustes muito pequenos porque este é um quebra-cabeça muito complexo.”

Sua colega Rachel Osofsky, também da Universidade de Washington, concorda. Osofsky ajudou a colocar mais de 800 calços em torno do ímã, e diz que ela tem facilidade com trabalhos manuais e colaborativa no trabalho.

“Quando eu cheguei, eu sabia que iria gastar tempo de trabalho no ímã, mas eu não sabia o que isso significava”, diz ela. “Você suja as mãos, muito mesmo, e então mede o campo para ver o que você fez. Os alunos mais tarde irão ler os relatórios que estamos escrevendo agora e irão se referir a eles. É emocionante.”

Da mesma forma, a equipe do Muon g-2 constantemente consulta o trabalho de seus antecessores que realizaram o experimento em Brookhaven, fazendo melhorias onde podem (uma atualização que pode não parecer óbvia é o edifício onde o experimento está alojado, que mantém a temperatura mais estável do que as instalações do Brookhaven, e reduz as mudanças no próprio ímã).

Kiburg diz que a equipe do Muon g-2 devem concluir a forma do campo magnético em algum momento deste verão (hemisfério norte). Com os feixes de luz da experiência em construção e os detectores sendo instalados, a colaboração deve estar pronta para começar a medir as partículas no próximo verão. Swanson diz que, embora o esforço tenha sido intenso, ele também tem sido inspirador.

“É um grande desafio descobrir como fazer tudo isso de forma correta”, diz ele. “Mas se você conhece bem os cientistas, quando um desafio parece quase impossível, todos nós vamos testá-lo.”

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