Acelerador de antimatéria promete deixar LHC no chinelo

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30 de agosto de 2018

Acelerador de antimatéria promete deixar LHC no chinelo

Simulação de um grupo de pósitrons - antimatéria do elétron - sendo produzido e acelerado. [Imagem: Aakash A. Sahai - 10.1103/PhysRevAccelBeams.21.081301]

Mini-acelerador de antimatéria 

Aakash Sahai, um físico do Imperial College de Londres, descobriu uma maneira de acelerar a antimatéria em um espaço de centímetros, em lugar dos quilômetros dos aceleradores atuais de matéria, o que promete fomentar não apenas a ciência das partículas exóticas, como também vislumbrar fenômenos de uma "nova física".

A nova técnica poderá ser usada para investigar mistérios como as propriedades do bóson de Higgs, ou a natureza das hipotéticas matéria escura e energia escura, além de fornecer testes mais sensíveis para materiais usados em aviões e chips de computador.

Os aceleradores de partículas como o LHC (Large Hadron Collider), na fronteira entre a Suíça e a França, e o LCLS (Linac Coherent Light Source), nos Estados Unidos, aceleram partículas elementares de matéria, como prótons e elétrons.

Essas partículas aceleradas podem ser postas para colidir, como no LHC, para se quebrarem e produzir partículas mais elementares, como o bóson de Higgs, que dá massa a todas as outras partículas. Elas também podem ser usadas para gerar luz laser de raios X, como no LCLS, luz esta que é usada para fazer imagens de processos extremamente rápidos e pequenos, como a fotossíntese.

No entanto, para chegar às altas velocidades necessárias, os aceleradores precisam usar equipamentos com pelo menos dois quilômetros de extensão - o LHC tem 27 km de circunferência. Por isso tem havido um interesse crescente na construção de mini-aceleradores de partículas, que possam fazer o mesmo trabalho a um custo menor.

Feixes de antimatéria

Agora, Sahai inventou um método de acelerar não partículas de matéria, mas a versão de antimatéria dos elétrons - os pósitrons - em um sistema que teria apenas alguns centímetros de comprimento.

A técnica de aceleração de antimatéria usa lasers e plasma - um gás de partículas carregadas - para produzir, concentrar e acelerar os pósitrons, criando um feixe concentrado de antimatéria. Esse acelerador em escala centimétrica poderia usar os lasers já existentes para acelerar feixes de pósitrons com dezenas de milhões de partículas até a mesma faixa de energia alcançada com o acelerador LCLS, de dois quilômetros.

A colisão de feixes de elétrons e de pósitrons pode ter implicações importantes para a física fundamental. Por exemplo, essas colisões podem eventualmente criar uma taxa mais alta de bósons de Higgs do que o LHC, permitindo que os físicos estudassem melhor suas propriedades. Elas também poderão ser usadas para procurar novas partículas propostas por uma teoria chamada "supersimetria", que preencheria algumas lacunas no Modelo Padrão da física de partículas, mas que não deram as caras no LHC até agora.

Os feixes de pósitrons também teriam aplicações práticas. Atualmente, ao verificar falhas e riscos de fratura em materiais como peças de aeronaves, lâminas de motores a jato e chips de computador, são tipicamente usados raios X ou feixes de elétrons. Os pósitrons interagem de maneira diferente com esses materiais, proporcionando outra dimensão ao processo de controle de qualidade.

A técnica foi modelada usando as propriedades dos lasers já existentes, e agora Sahai está formando uma equipe para testá-la em experimentos reais. Se tudo funcionar como previsto, a tecnologia poderá permitir que muitos laboratórios ao redor do mundo realizem experimentos de aceleração de antimatéria.

Esquema do acelerador de antimatéria, que terá apenas alguns centímetros de comprimento. [Imagem: Aakash A. Sahai - 10.1103/PhysRevAccelBeams.21.081301]

Acelerador de antimatéria 

O acelerador vai exigir um tipo de sistema de laser que atualmente cobre cerca de 25 metros quadrados, mas que já está presente em muitos laboratórios de física em todo o mundo. As tecnologias usadas em instalações como o LHC ou o LCLS não sofreram avanços significativos desde sua invenção na década de 1950. Eles são caros para serem operados, e pode ser que em breve tenhamos tudo o que é possível conseguir com eles.

"Uma nova geração de aceleradores de partículas elusivas - compactos, de alta energia e baratos - nos permitiria investigar a nova física - e permitir que muitos mais laboratórios ao redor do mundo se unam ao esforço.

"Com este novo método acelerador poderíamos reduzir drasticamente o tamanho e o custo da aceleração de antimatéria. O que hoje só é possível fazer usando grandes instalações de física, a custos de dezenas de milhões de dólares, pode ser possível em laboratórios de física comuns," justificou Sahai.

Fonte: Inovação Tecnológica

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Descoberto meio de extrair energia atômica para uso em baterias

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/07/2018

Ilustração do efeito ENCE - excitação nuclear por captura de elétrons. Um íon com um único elétron em órbita captura um elétron incidente em uma órbita vazia. Sob as condições adequadas, esta captura transfere uma pequena quantidade de energia para o núcleo, que emite posteriormente uma quantidade muito maior de energia na forma de raios gama. [Imagem: James J. Carroll/William Parks/Eric Proctor]

Excitação nuclear por captura de elétrons

Depois de décadas de trabalho, finalmente se comprovou na prática que existe de fato uma forma mais amena e mais segura para extrair energia do núcleo dos átomos.

Talvez não dê para substituir as atuais centrais nucleares por algo menos arriscado, mas dá para pensar em novos tipos de baterias atômicas eficientes e seguras.

No início deste ano, Christopher Chiara e uma equipe da Austrália, EUA e Polônia demonstrou na prática uma teoria proposta há mais de 40 anos, que propunha que radioisótopos podem armazenar energia em materiais não fissionáveis - uma energia nuclear sem fissão nuclear.

Explorando uma classe não química de materiais, eles usaram um isótopo específico de molibdênio para demonstrar que a energia pode ser armazenada em uma forma excitada desses núcleos, energização esta que dura cerca de sete horas, e que a energia pode ser liberada em uma escala de tempo muito menor por um novo processo envolvendo as "conchas" atômicas em torno desse núcleo - uma outra maneira de se referir aos níveis de energia dos orbitais eletrônicos.

Criando um "buraco" nessa concha atômica, um elétron livre que cai na concha transfere a quantidade exata de energia - uma quantidade muito pequena - para o núcleo e, como um interruptor, causa uma liberação controlada da energia maior armazenada.

O processo ficou conhecido como ENCE - "excitação nuclear por captura de elétrons" (ou NEEC: nuclear excitation by electron capture)

A equipe suíça estabeleceu como usar pulsos de raios X para gerar os elétrons capazes de extrair a energia dos núcleos não fissionáveis. [Imagem: G. M. Vanacore et al. - 10.1038/s41467-018-05021-x]

Disparos de elétrons para gerar energia

Agora, Giovanni Vanacore e seus colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, desvendaram a mecânica do processo em uma escala temporal de attossegundos - 1 attossegundo equivale a 10^-18 segundo.

Ainda que esse experimento por si só seja inédito, a equipe definiu como criar flashes de elétrons em intervalos de tempo ainda menores, de zeptossegundos (10^-21segundos), usando tecnologia já existente, para aumentar o rendimento energético das reações nucleares e extrair sua energia.

"Em termos ideais, o que se quer fazer é induzir instabilidades em um núcleo de outra forma estável ou metaestável para provocar decaimentos produtores de energia, ou para gerar radiação," explicou Fabrizio Carbone, membro da equipe. "No entanto, o acesso aos núcleos é difícil e energeticamente caro por causa da camada protetora de elétrons em torno dele".

Os pulsos de zeptossegundos, contudo, resolvem essa dificuldade, estabelecendo um modo de explorar e coletar as várias ordens de grandeza de energia presente no núcleo de um átomo através do controle coerente do efeito ENCE (excitação nuclear por captura de elétrons).

"Nosso esquema de controle coerente com pulsos de elétrons ultracurtos pode oferecer uma nova perspectiva para a manipulação das reações nucleares com potenciais implicações em vários campos, da física fundamental às aplicações relacionadas à energia," concluiu a equipe em seu artigo.

Bibliografia:

Attosecond coherent control of free-electron wave functions using semi-infinite light fields
Giovanni Maria Vanacore, I. Madan, G. Berruto, K. Wang, E. Pomarico, R. J. Lamb, D. McGrouther, I. Kaminer, B. Barwick, F. Javier García de Abajo, F. Carbone
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 2694
DOI: 10.1038/s41467-018-05021-x

Isomer depletion as experimental evidence of nuclear excitation by electron capture
Christopher J. Chiara, James J. Carroll, M. P. Carpenter, J. P. Greene, D. J. Hartley, R. V. F. Janssens, G. J. Lane, Jarrod C. Marsh, D. A. Matters, M. Polasik, J. Rzadkiewicz, D. Seweryniak, S. Zhu, S. Bottoni, A. B. Hayes, S. A. Karamian
Nature
Vol.: 554, pages 216-218
DOI: 10.1038/nature25483

     

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