Bob Zwaska, un científico del Fermilab del Departamento de Energía de EE. UU., estaba viendo a un concursante en el programa de cocina Chopped spin sugar para su postre cuando se dio cuenta de que el mismo principio podría aplicarse a los objetivos del acelerador.

Una de las formas en que los aceleradores de partículas producen partículas es disparando rayos de partículas a los objetivos. Estos objetivos son estacionarios, bloques sólidos de material, como grafito o berilio. Cuando el rayo choca con el objetivo, produce partículas secundarias, como piones, que se descomponen en partículas terciarias, como neutrinos y muones.

Los futuros experimentos de física de partículas están limitados por los objetivos que se utilizan actualmente en los aceleradores de partículas. Uno es el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos, un experimento de vanguardia organizado por Fermilab y desarrollado en colaboración con más de 170 instituciones en todo el mundo. DUNE busca comprender por qué existe la materia en el universo desvelando los misterios de las partículas fantasmales llamadas neutrinos. Para resolver estos misterios, el rayo del acelerador utilizado por DUNE debe alcanzar una potencia de al menos 1,2 megavatios, el doble de la cantidad que los objetivos actuales pueden manejar.

El punto de colisión entre el rayo y el objetivo:un área significativamente más pequeña que el objetivo en sí, que varía entre el tamaño de una hormiga y el grafito de un portaminas, se calienta rápida y repetidamente por encima de los 500 grados Celsius. Este calor hace que esa pequeña área intente expandirse, pero, porque los objetivos utilizados actualmente son sólidos, no hay espacio para la expansión. En lugar de, el punto caliente empuja el área circundante una y otra vez, como un martillo neumático. Esto tiene el potencial de dañar al objetivo.

Cuando te sumerges en una piscina, su colisión con el agua hace que las ondas se muevan por la superficie. Cuando las olas llegan al borde de la piscina, rebotarán y cruzarán otras olas, ya sea destruyéndose entre sí o combinándose para hacer una ola más grande. En una piscina, si una ola se vuelve demasiado grande, el agua puede simplemente salpicar por el borde. En un objetivo sólido sin embargo, si una ola se vuelve demasiado grande, el material se agrietará.

A las intensidades del haz de corriente del acelerador de partículas Fermilab, esto no es un problema, porque los objetivos pueden soportar las olas resultantes durante mucho tiempo. A medida que Fermilab mejora su complejo acelerador y aumenta la intensidad, ese tiempo de resistencia cae drásticamente.

"En todo el mundo, Hay un impulso para que las máquinas de mayor intensidad creen partículas raras. Estos objetivos a veces han sido el único factor limitante en el desempeño de tales instalaciones, "Dijo Zwaska." Entonces, para investigar áreas de nueva física, tenemos que impulsar nuevas tecnologías para hacer frente a este problema ".

Encargado de idear un objetivo alternativo para usar en aceleradores de alta potencia, como los que enviarán haz a DUNE, Zwaska imaginó un objetivo que consta de muchos giros y vueltas para evitar la acumulación de olas. Este objetivo sinuoso también sería fuerte y sólido a microescala. Primero probó cuerdas de grafito, Fibras impresas en 3-D, y mayormente hueco, sólidos reticulados antes de tropezar con el concepto de azúcar hilado, lo que lo llevó al electrohilado.

Propuesto por primera vez a principios del siglo XX para producir seda artificial más fina, El electrohilado se ha utilizado para la filtración de aire en automóviles. apósitos para heridas y medicamentos farmacéuticos. Como hilar azúcar El electrohilado implica el uso de un material licuado para crear hebras delgadas que eventualmente se endurecen en la estructura deseada. En lugar de calentar el líquido, el electrohilado le aplica una carga positiva. La carga en el líquido crea una atracción entre él y una placa neutra, colocado a cierta distancia. Esta atracción estira el material hacia la placa, creando un sólido, material fibroso.

Para objetivos de acelerador, los especialistas convierten el metal o la cerámica en un material sólido pero poroso que consta de miles de hebras de fibra de menos de un micrómetro de diámetro. Eso es menos de una centésima parte del grosor de un cabello humano promedio, y aproximadamente un tercio de la telaraña de una araña.

Cuando el haz de partículas choca con un objetivo electrohilado, las fibras no propagarán ondas. La falta de ondas potencialmente dañinas para el material significa que estos objetivos pueden soportar una intensidad de haz mucho mayor.

En lugar de una piscina, imagina que saltas a un foso de pelotas. Su colisión interrumpirá la disposición de las bolas inmediatamente a su alrededor, pero dejará las que lo rodean en paz. El objetivo electrohilado actúa de la misma manera. El proceso deja espacio entre cada fibra, permitiendo que las fibras se expandan uniformemente, evitando el efecto de martillo neumático.

Si bien esta nueva tecnología resuelve potencialmente muchos de los problemas con los objetivos actuales, tiene sus propios obstáculos que superar. Típicamente, el proceso para hacer un objetivo electrohilado lleva días, los expertos tienen que detenerse con frecuencia para corregir las complicaciones en la forma en que se acumula el material.

Sujit Bidhar, investigador postdoctoral en Fermilab, está tratando de abordar estos problemas.

Bidhar está desarrollando y probando métodos que aumentan la cantidad de puntos de derivación de fibra que se forman al mismo tiempo, producir un objetivo de nanofibras más grueso, y disminuir la cantidad de electricidad necesaria para crear la carga positiva. Estos avances acelerarían y simplificarían el proceso.

Mientras todavía está probando diferentes técnicas de electrohilado, Bidhar ya ha desarrollado un nuevo sistema de electrohilado pendiente de patente, incluyendo una fuente de alimentación novedosa.

La unidad de electrohilado de Bidhar es más compacta, más ligero, más simple y más económico que la mayoría de las unidades convencionales.

También es mucho más seguro de usar debido a su potencia de salida limitada. Las fuentes de alimentación comerciales actuales producen una cantidad de energía eléctrica que supera con creces la necesaria para fabricar objetivos electrohilados. La unidad de suministro de energía de Bidhar reduce la salida de energía eléctrica y el tamaño total de la unidad a la mitad, lo que también lo hace más seguro de usar.

En mayo de 2018, La fuente de alimentación de Bidhar ganó el premio a la innovación TechConnect. Bidhar se siente alentado por lo que significa esta tecnología para la física de partículas y también para otras industrias.

"El personal médico podría utilizar esta fuente de alimentación para crear apósitos para heridas biodegradables en ubicaciones remotas y móviles, sin una unidad voluminosa y de alto voltaje, "Dijo Bidhar.

Objetivos electrohilados, como la fuente de alimentación de Bidhar, podría innovar el futuro de los aceleradores de física de partículas, permitiendo que experimentos como DUNE alcancen niveles más altos de intensidad del haz. Estos rayos de mayor intensidad ayudarán a los científicos a resolver los misterios perdurables de la astrofísica, física nuclear y física de partículas.