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Pesquisadores americanos desenvolveram sensores ultrafinos capazes de identificar partículas de alta energia com precisão. Essa inovação pode transformar a física das partículas e outras áreas científicas!
Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne (ANL) fizeram um avanço na detecção de partículas de alta energia ao adaptar sensores de nanofios de detecção de fótons para a tarefa de detectar partículas de alta velocidade e precisão.
O feito foi realizado no Test Beam Facility do Fermilab, uma das maiores instalações de partículas físicas do mundo. Este avanço pode ter grandes implicações para aceleradores de partículas, sistemas fundamentais para entender a origem e os componentes do universo.
Aceleradores de partículas são essenciais para estudar as partículas subatômicas criadas em colisões de alta energia.
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Essas partículas se movem em velocidades próximas à luz e devem ser detectadas com alta precisão para que os cientistas possam analisar seus comportamentos e propriedades.
No entanto, os detectores são usados especificamente nesses sistemas, limitações de sensibilidade e precisão, o que pode prejudicar pesquisas avançadas.
Para superar esses desafios, os pesquisadores da ANL propuseram o uso de detectores de fóton exclusivos de nanofios supercondutores (SNSPDs). Esses dispositivos, extremamente sensíveis, são capazes de detectar até mesmo uma única foto.
A tecnologia já foi utilizada em áreas como sensoriamento óptico e computação quântica, mas nunca havia sido aplicada em aceleradores de partículas. A equipe de pesquisa decidiu testar as opções dessa adaptação.
O que são os sensores SNSPDs?
Os SNSPDs são sensores ópticos de alta sensibilidade, baseados em nanofios supercondutores. Seu funcionamento é simples, mas eficaz: quando um fóton é absorvido pela nanofio, ocorre um pequeno aumento na carga elétrica do material, o que é detectado de maneira precisa.
Essa detecção ocorre em temperaturas extremamente baixas, permitindo o funcionamento dos supercondutores.
Essa tecnologia é altamente eficiente, permitindo a detecção de eventos que seriam imperceptíveis para detectores ocasionais. Com a proposta de adaptação dos pesquisadores da ANL, os SNSPDs poderiam ser usados para detectar partículas de alta energia, como os prótons, com uma precisão muito maior.
Testes no Fermilab
A equipe do ANL testou os SNSPDs em experimentos realizados no Fermilab, onde forneceram prótons de 120 GeV, partículas fornecidas regularmente que são comumente aceleradas e usadas em experimentos em aceleradores de partículas.
Os pesquisadores variaram a espessura dos nanofios, usando fios com larguras diferentes, para testar a eficiência da detecção em diversas condições.
Os resultados foram promissores. Os fios com 400 nanômetros de largura mostraram alta eficiência na detecção de prótons de alta energia. Para se ter uma ideia, a largura de um fio de cabelo humano é de cerca de 10.000 nanômetros, o que torna as isolamentos desses sensores ainda mais impressionantes.
A melhor configuração foi alcançada com fios de 250 nanômetros, que se mostraram ideais para essa aplicação.
Potencial para o futuro
O trabalho realizado no Fermilab marca um avanço importante, mas é apenas o começo. Segundo Whitney Armstrong, um dos físicos da ANL envolvidos na pesquisa, este foi o primeiro uso da tecnologia, e a demonstração foi fundamental para futuras aplicações de alto impacto.
Isso porque os SNSPDs podem ser usados em diferentes cenários dentro da física de partículas, inclusive em aceleradores de partículas mais avançados, como os que utilizam supercondutores para acelerar partículas a velocidades ainda maiores.
Além disso, os SNSPDs também podem ser usados em novas instalações, como o Electron-Ion Collider (EIC), que está sendo construído no Brookhaven National Laboratory, nos Estados Unidos.
Nesse acelerador, os elétrons serão usados para bombardear prótons e núcleos atômicos, e a detecção de partículas com alta precisão será crucial para o sucesso das pesquisas.
Com informações de interesting engineering.
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