Explorando Laboratórios de Física no Canadá

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Viagem virtual: explorando os principais laboratórios de
física do Canadá
A colaboração é a espinha dorsal da ciência: sem ela, os limites do conhecimento científico
permaneceriam bastante estreitos, com várias áreas da ciência permanecendo isoladas e incapazes de
transferir ideias para frente e para trás.
Como a maioria das atividades científicas, a física é altamente colaborativa – especialmente aqui no
Canadá. Enquanto os Estados Unidos estabeleceram um sistema nacional de laboratório após a
Segunda Guerra Mundial para desenvolver uma gama de tecnologia militar - notavelmente, a bomba
atômica - o Canadá não tem uma rede semelhante. No entanto, temos várias grandes instalações
nacionais de colaboração que trazem pesquisadores acadêmicos e governamentais em todo o país junto
com cientistas internacionais. Como essas instalações são tipicamente muito grandes para serem
construídas e mantidas por uma única instituição, elas são operadas por consórcios de universidades,
organizações científicas federais e provinciais e, ocasionalmente, parceiros industriais.
Esta semana vamos fazer um breve passeio por algumas das principais instalações de física
canadenses.
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TRIUMF, VANCOUVER, BC
O TRIUMF (originalmente o TRI University Meson Facility, sigla agora descartada) é um laboratório de
partículas subatômica de classe mundial fundado em 1968 pelas Universidades da Colúmbia Britânica e
Victoria, e pela Simon Fraser University. Agora é operado por pesquisadores de 18 universidades de
costa a costa. Mais de um bilhão de dólares em financiamento público foi injetado na TRIUMF desde a
sua criação, com pesquisadores trazendo milhões de dólares de financiamento adicional a cada ano de
subsídios federais.
Enquanto o trabalho de condução na TRIUMF se concentra em analisar, verificar e explorar a estrutura e
as interações fundamentais das partículas subatômicas, a instalação também é usada na ciência dos
materiais, medicina nuclear (incluindo geração de isótopos médicos) e pesquisa de engenharia de
aceleradores. Como a pesquisa em física de partículas envolve quantidades impressionantes de dados
de colisões de partículas, o TRIUMF também possui grandes instalações computacionais.
A TRIUMF abriga um dos maiores ciclotrons do mundo. Um ciclotron pode ser descrito como um
conjunto de eletrodos em forma de cunha grande com um espaço entre eles. Os primeiros cíclotrons (e
muitas máquinas menores atuais) usaram dois eletrodos em forma de D; no entanto, o TRIUMF usa seis
eletrodos que são curvos para se parecer com um pinwheel. Esses eletrodos são ensanduichados entre
dois enormes ímãs de 18 metros de diâmetro, que geram um campo magnético vertical grande e
constante. Um campo elétrico forte e variável é gerado nas lacunas entre os eletrodos. As partículas
carregadas são injetadas no espaço no centro do pino e são aceleradas pelo campo eletromagnético em
http://www.triumf.ca/
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mudança nas lacunas entre os eletrodos. Conforme as partículas aceleram para velocidades mais altas,
elas espiralam para fora em direção à borda dos eletrodos. Uma vez que eles atingem a borda, eles são
desviados para uma linha de feixe para uso experimental.
Projetado para estudantes do ensino médio, este vídeo dá uma visão geral da física envolvida no
cíclotron do TRIUMF.
Imagem da patente registrada por Ernest O.
Lawrence para o cíclotron. Na esquerda está
uma visão panorâmica do equipamento e à
direita há uma fatia lateral. Recortado da
patente norte-americana 1.948.384.
O TRIUMF injeta íons de hidrogênio carregados negativamente (ou seja, um próton e dois elétrons) no
centro da estrutura do pinwheel. Um campo elétrico variável de 500 megaelétron-volt (MeV) é aplicado
sobre os eletrodos, e o campo magnético gerado pelos ímãs acelera esses íons em um feixe focalizado
para -3o4 a velocidade da luz em apenas 0,3 milissegundos. A folha de grafite extremamente fina tira os
elétrons das partículas do feixe e quatro linhas de feixe de prótons são geradas a partir do cíclotron
principal. Esses feixes de prótons são – entre outras coisas – uma fonte para gerar feixes de íons raros
usados em mais pesquisas de física de partículas.
Quatro ciclotrons menores geram isótopos médicos para parceiros médicos e industriais. No ano
passado, a TRIUMF anunciou que eles foram capazes de gerar tecnócio-99m suficiente, um importante
isótopo médico tipicamente sintetizado em reatores nucleares, para fornecer regularmente uma
população do tamanho de Vancouver. Encontrar fontes alternativas para isótopos médicos é imperativo,
uma vez que a instalação do Chalk River é atualmente a principal fonte desse isótopo, mas é provável
que seja desativada em 2016.
O TRIUMF realiza regularmente palestras e passeios públicos, tem um programa cooperativo de
graduação robusto e um programa de divulgação voltado principalmente para estudantes do ensino
médio. Siga a TRIUMF no Twitter em ?TRIUMFlab.
FONTE DE LUZ CANADIANO (CLS), SASKATOON, SASKATCHEWAN
A Fonte de Luz Canadense é uma instalação versátil que gera luz em frequências e intensidades muito
específicas – luz – que é então usada para analisar uma ampla gama de materiais, até mesmo amostras
biológicas. Pesquisadores da instalação trabalham em tópicos tão díspares quanto analisar placas
cerebrais de pacientes com Alzheimer, para eletrônica em nanoescala e toxicidade ambiental do solo. A
instalação também abriga pesquisas industriais que vão desde o desenvolvimento de óleo de motor até
http://www.triumf.ca/home/for-media/publicationsgallery/videos/e-m-and-circular-motion
https://blog.scienceborealis.ca/wp-content/uploads/sites/2/2014/03/Cyclotron_patent.png
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cyclotron_patent.png
http://www.triumf.ca/sites/default/files/NR-ProtonWkCharge-17-Sep-2013.pdf
http://www.triumf.ca/home/for-public/public-talks-events/saturday-morning-lectures
http://www.triumf.ca/home/for-public/tours-triumf
http://www.triumf.ca/home/for-public/public-talks-events/saturday-morning-lectures
http://www.triumf.ca/undergraduate-student-program
http://www.triumf.ca/undergraduate-student-program
http://www.triumf.ca/home/for-students/high-school-programs
https://twitter.com/TRIUMFLab
http://www.lightsource.ca/
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a limpeza eficaz de resíduos de minas e mantém a pesquisa em andamento em engenharia de
acelerador e síncrotron.
A luz usada nesses experimentos é gerada usando um grande síncrotron. Enquanto os cíclotrons como
o TRIUMF aceleram as partículas através de eletrodos sólidos, os síncrotrons são aceleradores
circulares que usam eletroímãs extremamente poderosos dispostos em torno de um tubo de vácuo para
impulsionar as partículas. No CLS, as partículas carregadas são aceleradas a velocidades tão altas
(quase a velocidade da luz!) que emitem luz em frequências específicas. Esta luz é então focalizada em
feixes e desviada para fora do anel circular em uma linha de feixe. Atualmente, a instalação tem 11
linhas de vigas, com mais três em construção.
Esquema das várias linhas de luz que são
geradas a partir da Fonte de Luz
Canadense. Note que alguns feixes são
divididos do acelerador principal e, em
seguida, rapidamente se dividem em dois ou
mais sub feixes, levando a mais de 14 linhas
no diagrama. Crédito: Fonte da Luz
Canadense
Cada linha de feixe é configurada para acomodar uma gama diferente de frequências e intensidades de
luz, e é adaptada para técnicas analíticas específicas. Por exemplo, um grupo usa luz infravermelha
média (que tem um comprimento de onda mais longo do que a luz visível) para estudar o tecido
cicatricial de pacientes com ataque cardíaco. As moléculas individuais vibram de forma diferente quando
expostas à luz infravermelha, para que os pesquisadores possam determinar a composição molecular
precisa do próprio tecido cicatricial. Isso os ajuda a entender melhor a fisiologia de como o tecido
cicatricial se forma e se comporta em um paciente após a recuperação.
Como TRIUMF, o CLS realiza passeios públicos. Eles também têm muitos recursos bilíngues para
educadores do ensinomédio e um programa para trazer estudantes do ensino médio no local para
realizar experimentos. Siga o CLS no Twitter em ?CanLightSource.
SNOLAB (Sudbury Neutrino Observatory Laboratory), SUDBURY, ONTARIO
SNOLAB has nothing to do with that white stuff that everyone is getting so tired of this winter, but is the
direct descendant of the Sudbury Neutrino Observatory (SNO), which closed in 2006. The facilities were
https://blog.scienceborealis.ca/wp-content/uploads/sites/2/2014/03/CLS_Experimental_Hall_2011.png
http://www.lightsource.ca/beamlines/images/CLS_Experimental_Hall_2011.png
http://www.lightsource.ca/education/request_form.php
http://www.lightsource.ca/education/curricular_connections.php
http://www.lightsource.ca/education/curricular_connections.php
http://www.lightsource.ca/education/students.php
https://twitter.com/CanLightSource
http://www.snolab.ca/
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expanded, and SNOLAB had its grand opening in 2012. SNO focused almost exclusively on neutrino
research, a mandate continued by SNOLAB with the SNO+ experiment. It also houses experiments
relating to dark matter and other astroparticle research, geophysics, and extremophile biology.
SNOLAB is situated in a mine shaft two kilometres below the earth’s surface, which is the key to its
success. Neutrinos are nearly massless, very unreactive subatomic particles that stream from the sun in
vast quantities: 1011 of them pass through a square centimetre each second. These elusive particles are
the key to understanding the physics not only of the sun and other stars, but they play a critical role in the
Standard Model of physics.
The principle experiments at both SNO and now SNOLAB look for incredibly rare events between
neutrinos and other subatomic particles. SNO used a 12 meter diameter acrylic sphere filled with heavy
water to detect neutrinos: when a neutrino interacted with an atom in the water, a small burst of energy
would be detected with equipment mounted in the sphere. To detect this faint signal, the detector must be
isolated from as much background radiation as possible. The earth’s crust serves as a giant filter,
shielding the experiments from most solar radiation, but allowing neutrinos to easily pass through to the
detectors.
SNO+, the flagship experiment in the facility, will use SNO’s original acrylic sphere, but will be filled with a
benzene fluid rather than the original heavy water. This will allow SNO+ to detect events more easily and
at lower energies. SNO+ is expected to start collecting data with the new fluid sometime this year.
SNO detector under construction. CREDIT:
SNO.
SNOLAB is located in an active mine, so unfortunately public tours are not available. They have run
outreach courses in the past, and have some outreach videos online. Follow SNOLAB on Twitter at
@SNOLABscience.
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There are plenty of other collaborative physics facilities from coast to coast to coast – there are far too
many to exhaustively cover! It’s clear from both the breadth of research being done and the range of
world-class facilities we’ve built to do that research that the spirit of collaboration and cooperation is
strong within the Canadian physics community. Do you think your favourite facility was overlooked? Let
us know in the comments, and we’ll cover it in a later post!
http://snoplus.phy.queensu.ca/Home.html
http://www.picassoexperiment.ca/
http://www.snolab.ca/halo/index.html
https://blog.scienceborealis.ca/wp-content/uploads/sites/2/2014/03/SNOdetectorconstruction.jpg
http://dunlap.utoronto.ca/coolcosmos/doc/media/img/CC2d.jpg
http://www.snolab.ca/outreach
https://twitter.com/SNOLABscience
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Out and about on the #cancomm web with physics and astronomy:
UBC’s Jared Stang explores this critical question: What is the longest straw Superman could drink
out of?
UBC’s Eric Mills over at Cartoon Physics gives us a graphic introduction to Emmy Noether’s work
on symmetry (Part I and II)
Canadian physicists at the University of Windsor analyze Renaissance art and uncover hidden
details
Bob MacDonald from Quirks & Quarks tweeted about the first satellite made entirely in Alberta,
which is set to launch in the next year if their crowdfunding effort is successful
https://jaredstang.wordpress.com/2014/02/23/what-is-the-longest-straw-superman-could-drink-out-of-phys101-pcos-weeks-1-3/
http://cartoonphysics.net/comics/8/
http://cartoonphysics.net/comics/8/
http://cartoonphysics.net/comics/9/
http://www.ottawacitizen.com/health/Hidden+details+masterworks+revealed+Canadian+physics/9582734/story.html
http://www.edmontonjournal.com/news/education/Alberta+satellite+lift+next+year+fundraising+drive/9598361/story.html