Aunque se dedica mucho tiempo y esfuerzo en física de partículas a encontrar formas de aumentar la energía de ciertos experimentos, a veces es aún más importante encontrar formas de eliminar energía de un experimento de forma rápida y sencilla.

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado recientemente un nuevo mecanismo de contacto deslizante de fricción ultrabaja que utiliza agua fría para eliminar el calor de un componente clave de un colisionador de próxima generación.

"Cuando piensas en conducir un coche, tienes que usar la fricción para frenar tus ruedas, "dijo Wei Gai, un físico de alta energía de Argonne y líder del grupo Argonne Wakefield Accelerator. "Para nosotros, el desafío clave fue encontrar una manera de tener un contacto similar al de un freno de las pastillas de metal contra una rueda de alta velocidad sin mucha fricción ".

Durante los últimos dos años, Gai y sus colegas han estado intentando ensamblar un prototipo funcional para un componente clave del futuro Colisionador Lineal Internacional (ILC) propuesto. Este dispositivo, llamado "objetivo de positrones, "permitiría a los científicos producir positrones, la partícula hermana de antimateria del electrón.

En la ILC, Japón está considerando una máquina de 20 a 30 millas de largo, los científicos colisionarían electrones y positrones entre sí, y las aniquilaciones de partículas energéticas resultantes podrían arrojar luz sobre una serie de cuestiones sin resolver en física que van desde dimensiones desconocidas hasta candidatos a la materia oscura.

"La prioridad número uno para el ILC ha sido obtener una fuente confiable de positrones polarizados, "Dijo Gai. Aunque los positrones no están polarizados por el objetivo, eso se hace en un paso separado, tener una fuente de positrones confiable es un gran paso adelante".

Los positrones se crean cuando un fotón muy energético, llamado rayo gamma, se acerca a un núcleo atómico. Luego, en un proceso conocido como producción de pares, la energía contenida en el fotón se convierte espontáneamente en un electrón y un positrón.

"Para algunas personas, esto parece que el universo está haciendo algo de la nada, "dijo el ingeniero eléctrico de Argonne Wanming Liu." Pero Einstein demostró que la energía y la masa se pueden convertir entre sí, así que mientras el fotón entrante tenga suficiente energía, puedes crear un positrón y un electrón juntos ".

Creando y recolectando esos positrones, sin embargo, no ha sido tarea fácil. Primero, el haz de rayos gamma necesario para crear los positrones funciona como una linterna intensa y enfocada y, esencialmente, quemará todo lo que quede directamente en su camino durante demasiado tiempo.

Para hacer frente a este problema, Los investigadores primero crearon una rueda de aleación de titanio de aproximadamente un metro de diámetro y media pulgada de grosor. El haz de rayos gamma entrante golpearía un punto hacia el borde exterior de la rueda, haciendo que se caliente a medida que genera pares de positrones y electrones. Los electrones y el exceso de rayos gamma se eliminarían, mientras que los positrones se recolectarían mediante dirección magnética.

Para evitar daños en la rueda por exposición prolongada en un solo lugar, El equipo de investigación diseñó una forma de hacer girar la rueda rápidamente, a aproximadamente 220 millas por hora, cambiando continuamente el lugar donde el rayo golpea la rueda.

Si bien esto resolvió un problema al diseñar un objetivo de positrones, el verdadero desafío consistió en eliminar la energía térmica de la rueda. Debido a que los positrones deben capturarse y acelerarse en el vacío y debido a que el haz de rayos gamma entrante podría atravesar cualquier cosa que se interponga en su camino durante demasiado tiempo, los investigadores necesitaban operar el objetivo en un entorno de vacío ultra alto. Trabajando en el vacío sin embargo, significaba que no podían disipar el calor al medio ambiente, entonces necesitaban otra solución.

La respuesta que encontraron, conducción, sería familiar para cualquiera que alguna vez haya sentido los pies fríos de otra persona en medio de la noche. Al poner la superficie de una almohadilla de enfriamiento recubierta con una capa delgada de disulfuro de tungsteno o lubricantes secos similares directamente en contacto con la rueda giratoria, los investigadores descubrieron que podían absorber energía térmica del sistema, evitando que el objetivo se sobrecaliente o se dañe de otra manera. La almohadilla de enfriamiento contiene una cámara llena de agua fría que podría reponerse continuamente desde el exterior del aparato sellado al vacío.

"Nuestro avance fue realmente triple:que pudimos encontrar una manera de generar los positrones, que pudimos eliminar energía del sistema y que pudimos operar el dispositivo durante un período prolongado, "Dijo Gai.

Según Gai, la siguiente etapa de la investigación implica operar el objetivo de positrones continuamente durante un período de aproximadamente siete u ocho meses para asegurarse de que la máquina pueda resistir las tensiones de un período prolongado de estudio experimental. El diseño final fue completado por el ingeniero Scott Doran de Argonne.

"Debido a que la ILC representa una inversión internacional tan grande, debemos asegurarnos de que todo esté probado, revisado y listo para funcionar tanto como sea posible antes de tiempo, "Dijo Gai.