Resumo:
O CERN, a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, está desenvolvendo uma nova geração de ímãs supercondutores para a próxima rodada de atualizações do Grande Colisor de Hádrons (LHC). Esses ímãs, que utilizam novos materiais e processos de fabricação, atingiram uma intensidade de campo magnético de 11,3 Tesla em testes e se tornarão uma parte importante do futuro Grande Colisor de Hádrons de alto brilho.
O Grande Colisor de Hádrons utiliza campos magnéticos extremamente poderosos para controlar feixes de partículas, permitindo que as partículas viajem e colidam a velocidades próximas à velocidade da luz, ajudando assim os cientistas a estudar a composição básica da matéria. Atualmente, o LHC pode conduzir cerca de 40 milhões de colisões por segundo numa única experiência, sendo o número de partículas envolvidas em cada colisão cerca de 60. Ao aumentar continuamente a frequência das colisões e o número de partículas, os cientistas podem procurar de forma mais eficaz partículas raras e fenómenos físicos anteriormente não observados.
A próxima fase do projeto de atualização que o CERN está avançando é chamada de Grande Colisor de Hádrons de Alta Luminosidade (High-Luminosity LHC), que deverá lançar uma nova rodada de experimentos após 2030. O objetivo após a atualização é aumentar o número de partículas envolvidas em cada colisão para 140 a 200, enquanto mantém uma frequência de colisão de cerca de 40 milhões de vezes por segundo. O chamado “alto brilho” refere-se ao fato de que mais colisões de partículas podem ocorrer por unidade de tempo, aumentando assim a chance de descobrir fenômenos físicos raros.
Para conseguir isso, o colisor precisará de ímãs compactos e confiáveis, com campos magnéticos mais fortes. Os ímãs dipolo LHC tradicionais usam bobinas supercondutoras de nióbio titânio (NbTi), e a intensidade do campo magnético pode chegar a 8,3 Tesla, que é aproximadamente 166.000 vezes a intensidade do campo magnético da Terra. No entanto, o desempenho do material nióbio-titânio está próximo do limite superior da intensidade do campo magnético que pode atingir, então uma nova geração de ímãs quadrupolos começou a usar materiais supercondutores de nióbio-estanho (Nb₃Sn), com uma intensidade de campo magnético alvo próxima de 12 Tesla.
Uma das principais dificuldades enfrentadas por esta atualização tecnológica é que os materiais de nióbio-estanho têm propriedades mecânicas completamente diferentes dos materiais tradicionais de nióbio-titânio. O nióbio-titânio tem boa ductilidade e pode ser dobrado e enrolado após formar um material supercondutor; o nióbio-estanho é muito frágil e não pode suportar o grande estresse mecânico gerado durante o processo de enrolamento da bobina, uma vez formada a fase supercondutora.
Para resolver esse problema, os pesquisadores adotaram um processo de fabricação chamado “Wind-and-React”. Simplificando, o material que ainda não formou a fase supercondutora final é enrolado em uma bobina e, em seguida, através de tratamento térmico em alta temperatura, o nióbio e o estanho reagem e, finalmente, o material supercondutor nióbio-estanho é formado.
Durante o processo de fabricação específico, a equipe de pesquisa usou primeiro um cabo supercondutor de 760 metros de comprimento e o enrolou em torno da estrutura central para formar um conjunto de bobinas com cerca de 7,2 metros de comprimento e aberturas de 150 milímetros. As bobinas são então colocadas em um ambiente de gás inerte para um tratamento térmico estritamente controlado.
O processo de tratamento térmico dura vários dias, e a temperatura aumenta sequencialmente, permanecendo em cerca de 210 graus Celsius e 400 graus Celsius por um período de tempo, e finalmente atinge cerca de 650 graus Celsius. Após esse processo, o nióbio e o estanho do cabo reagem quimicamente para formar um composto de nióbio-estanho com propriedades supercondutoras.
Como o material de nióbio-estanho é muito frágil após a formação, extremo cuidado deve ser tomado durante o manuseio subsequente da bobina. Qualquer flexão excessiva ou deformação mecânica pode danificar o material supercondutor e afetar o desempenho elétrico e a confiabilidade estrutural do ímã.
Após concluir o tratamento térmico, os pesquisadores também usam resina epóxi líquida para tratar a bobina, permitindo que a resina preencha os vazios internos, rachaduras e lacunas e depois solidifique em uma estrutura de polímero duro para melhorar a estabilidade mecânica da bobina.
Este projeto de fabricação é liderado por uma equipe de cerca de 60 pessoas liderada pela engenheira magnética do CERN, Susana Izquierdo Bermúdez. Ela está envolvida na pesquisa e desenvolvimento de novos ímãs desde 2012 e seu trabalho envolve testes de enrolamento de bobinas, projeto eletromagnético, projeto mecânico, fabricação e verificação de desempenho.
De acordo com os resultados da pesquisa publicados pela equipe de pesquisa no IEEE Transactions on Applied Superconductivity, eles fabricaram mais de 120 bobinas para ímãs de 4,5 metros de comprimento e mais de 70 bobinas para ímãs de 7,2 metros de comprimento para o projeto de atualização do LHC. Cada ímã quadrupolo requer quatro bobinas.
Todo o projeto resultou na produção de 250 bobinas, das quais 25 falharam nos requisitos de qualidade devido a erro humano e defeitos de desempenho elétrico ou mecânico durante o processo de fabricação. Os pesquisadores apontaram que esse tipo de ímã supercondutor requer uma precisão de fabricação extremamente alta, e mesmo falhas muito pequenas podem inutilizar toda a bobina. Houve uma bobina que teve que ser descartada porque se suspeitava que uma partícula metálica estivesse presa entre o enrolamento e o componente de proteção, o que poderia afetar seu desempenho operacional.
Em setembro deste ano, a equipe concluiu os testes de controle de qualidade do ímã de 7,2 metros de comprimento e confirmou que o pico de intensidade do campo magnético atingiu 11,3 Tesla. Os ímãs estão atualmente funcionando bem e os pesquisadores começaram a continuar fabricando bobinas e ímãs sobressalentes para atender às necessidades de futuros projetos de atualização do LHC.
Essa conquista não é simplesmente a busca por números de campo magnético mais altos, mas significa que o CERN avançou com materiais supercondutores de nióbio-estanho, desde pesquisa e desenvolvimento em laboratório até o estágio de fabricação de engenharia de controle de qualidade rigoroso e em larga escala. Para o Grande Colisor de Hádrons de Alto Brilho, um campo magnético mais forte ajudará os pesquisadores a controlar os feixes de partículas de forma mais eficaz, permitindo que o colisor alcance maiores capacidades de colisão de partículas dentro de um determinado espaço, fornecendo infraestrutura essencial para experimentos de física de partículas após 2030.
Esta pesquisa foi publicada em "IEEE Transactions on Superconducting Applications" em 24 de setembro de 2026. O IEEE Spectrum atualizou o relatório em 10 de novembro, corrigindo o número de colisões de partículas em cada experimento.
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