Si bien los aceleradores de partículas pueden estar a la vanguardia de la ciencia, la construcción y preparación de algunos componentes del acelerador de partículas ha sido durante mucho tiempo más una forma de arte, dependiente de recetas nacidas de prueba y error. Ahora, Ari Deibert Palczewski espera cambiar eso. Un científico del personal de la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía, Palczewski recibió una subvención del Programa de investigación de carrera temprana del DOE para volver a poner la ciencia en la preparación del acelerador de partículas.

Los aceleradores de partículas son máquinas de referencia para los investigadores que desean comprender los fragmentos más pequeños de materia o analizar la estructura de rayos X de moléculas complejas. para empresas que buscan desinfectar dispositivos médicos y escanear carga en las fronteras de nuestra nación. El aumento de la eficiencia de los componentes que alimentan estas máquinas podría beneficiar a una amplia gama de aplicaciones científicas e industriales.

Cuando se trata de construir mejores componentes para radiofrecuencia superconductora, o SRF, aceleradores, como el CEBAF de Jefferson Lab, La sabiduría tradicional ha sostenido que los componentes más eficientes están hechos del metal niobio más puro. Esa sabiduría se dio la vuelta en 2012, cuando dos científicos del personal de Jefferson Lab implantaron involuntariamente átomos de titanio en las paredes de los componentes del acelerador de niobio con resultados sorprendentes.

"Niobio, por supuesto, es de lo que hacemos nuestros aceleradores de partículas, "Palczewski explicó." Gianluigi Ciovati y Pashupati Dhakal descubrieron el dopaje de titanio cuando implantaron accidentalmente titanio de una manera específica en el niobio, lo que hizo que el componente de niobio fuera mucho más eficiente para acelerar las partículas ".

Un corto tiempo después, Los científicos de Fermilab hicieron un descubrimiento fortuito similar, pero esta vez añadiendo átomos de nitrógeno al niobio metálico. La notable mejora en el rendimiento fue tan impresionante que generó un gran revuelo en la comunidad de SRF. y Palczewski y sus colegas en Jefferson Lab y Fermilab comenzaron a refinar el proceso de dopaje con nitrógeno. El know-how se transfirió a la industria, permitiendo su uso en la producción de componentes para el proyecto LCLS-II, una actualización de la fuente de luz coherente Linac en el SLAC National Accelerator Lab del DOE que está actualmente en curso.

Todavía, el mejor método para dopar el niobio para un rendimiento óptimo sigue siendo un misterio, y encontrar la receta correcta ha sido más un juego de adivinanzas

"A estas recetas las llamamos porque hacemos algo y luego comprobamos los resultados. No somos predictivos al respecto ", Dijo Palczewski." Mi subvención es en realidad para construir un modelo matemático completo de lo que está sucediendo con el dopaje ".

Para hacer eso, Palczewski pasará los próximos años desarrollando resultados de referencia para dos recetas exitosas diferentes que se están utilizando para dopar niobio con nitrógeno. Estas recetas varían el tiempo que el niobio se expone al nitrógeno gaseoso y el tiempo que el niobio se calienta luego en un horno para difundir las moléculas de nitrógeno en la superficie del niobio.

Palczewski utilizará las recetas actuales y las variaciones incrementales de las mismas para producir nuevas muestras cuyo rendimiento se probará. para que pueda desarrollar un modelo teórico de cómo cambia el rendimiento esperado en función de los diferentes factores de las recetas.

"El objetivo es construir un modelo completo de todo lo que sucede en el horno, así como la química posterior, y cómo modifica las propiedades superconductoras. Saldremos un montón de recetas luego trazar esos puntos de rendimiento, y luego desarrollar un modelo matemático que se ajuste a lo que vemos, ", explicó." Y luego la siguiente etapa es ir a un nuevo lugar, donde nadie ha hecho esto antes. Se nos ocurrirá una receta introdúzcalo en el modelo matemático y luego vea qué tan predictivo es el nuevo modelo en comparación con la realidad ".

En estas primeras etapas, Palczewski planea mantener la investigación relativamente simple. Con la ayuda de un estudiante graduado y un científico investigador postdoctoral financiado por la beca de investigación, usará una fuente para el niobio metálico y cambiará solo algunos parámetros en la preparación de la cavidad. Pero eventualmente, le gustaría que el modelo sea más sólido al incluir otros factores, como diferentes fuentes de niobio, diferentes fabricantes de componentes y ajustes de preparación adicionales.

"En el final, Soy un experimentalista que quiere ser físico teórico. Entonces, Me encuentro en el medio para crear un conjunto de datos único que nadie más tiene, y luego desarrollar un modelo ajustado basado en datos experimentales, ", dijo." Porque el campo necesita ir más allá de la elaboración de recetas y hacia un desarrollo científico real utilizando esta tecnología ".