Os detetives magnéticos

A leitura do medidor de corrente subia gradualmente. Até que não foi. Na verdade, caiu de repente. “Uh-oh”, Giorgio Ambrosio lembra-se de ter pensado. "Houston, nós temos um problema."

Ambrosio é um cientista do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia dos EUA que supervisiona a montagem dos ímãs construídos nos EUA para a atualização de alta luminosidade do Grande Colisor de Hádrons. Ao duplicar o número de protões dentro do LHC e melhorar a dinâmica do feixe, a atualização aumentará os conjuntos de dados experimentais por um fator de 10. Isto permitirá aos físicos estudar fenómenos físicos raros e aprender mais sobre a origem da massa e da matéria no Universo.

A atualização do HL-LHC precisa de 150 novos ímãs aceleradores. Nos EUA, o Projeto de Atualização do Acelerador LHC está construindo novos ímãs de foco, que comprimirão o feixe imediatamente antes das colisões e serão duas vezes mais potentes que seus antecessores.

Mas o novo íman de focagem que Ambrosio e os seus colegas norte-americanos estavam a testar falhou; o ímã estava morto.

Os eletroímãs de 5 metros de comprimento precisam transportar 16.530 amperes de corrente – aproximadamente o mesmo que um raio. Como se tornam supercondutores quando resfriados a temperaturas muito baixas, os ímãs podem transportar essa enorme corrente sem gerar calor. Cientistas como Ambrosio introduzem e aumentam gradativamente a corrente para testar e “treinar” os ímãs antes do uso.

Ambrosio e colegas como Alice Moros, colega do CERN, sabem que “as coisas que não funcionam” fazem parte do processo da ciência – especialmente quando se trabalha com tecnologia complexa, única e não disponível comercialmente. “Um ímã, como tudo no mundo, não pode ser perfeito”, diz Moros.

Então, a equipe dos EUA colocou o ímã de lado e começou a testar outro. Novamente, a corrente aumentou e, novamente, caiu repentinamente. Eles tentaram reanimá-lo, mas a corrente se recusou a subir: um segundo ímã estava morto.

“A pior parte é que isso aconteceu duas vezes – em dois ímãs – consecutivos”, diz Ambrosio. “Foi como estar no Titanic depois de encontrar o iceberg.”

Foram apenas duas coincidências infelizes? Ou será que uma fraqueza no design dos ímãs estava prestes a afundar todo o projeto de atualização do LHC? Encontrar o culpado era vital: o futuro do programa de investigação do LHC dependia disso.

A produção de ímãs de focagem HL-LHC envolve centenas de etapas ao longo de um período de seis meses. O problema pode ter surgido em qualquer parte do processo.

Ambrosio e seus colegas voltaram sua atenção para o primeiro ímã que falhou. Que segredos sua morte prematura poderia revelar? “Começamos a investigação imediatamente”, diz Ambrosio.

Suspeito não. 1: o enrolamento do cabo.

Cada bobina magnética consiste em um único cabo, enrolado 50 vezes no sentido do comprimento em torno de um poste de titânio de 4,2 metros de comprimento. O cabo é delicado porque consiste em 40 fios trançados preenchidos com filamentos frágeis de nióbio-estanho. Se um desses fios caísse fora do lugar, poderia criar um ponto de esmagamento que comprometeria toda a bobina.

Na bobina quebrada, “tivemos que consertar um fio duas vezes durante o enrolamento”, conta Ambrosio. “Então tínhamos a pergunta: o fio se moveu novamente?”

Suspeito não. 2: um atraso inesperado.

Após o enrolamento, os técnicos transformam a bobina bruta em um ímã supercondutor funcional e resistente por meio de tratamentos térmicos, aplicação de agentes de ligação e soldagem dos componentes. O enrolamento e a cura geralmente levam algumas semanas, mas a vítima era aquela em que eles estavam trabalhando quando o COVID atacou pela primeira vez.

“Iniciamos a fabricação de bobinas e depois tivemos que parar por 12 semanas”, conta Ambrosio. “Isso é bastante incomum... Mas teve algum impacto?”

Suspeito não. 3: uma simetria quebrada.

Os ímãs de foco eram quadrupolos, o que significa que cada um era feito de quatro bobinas separadas encaixadas para formar um cilindro longo e oco. Quando o ímã é ligado em plena corrente, as forças eletromagnéticas puxam as extremidades das quatro bobinas com uma força de 100 toneladas.