Hoewel veel tijd en moeite in de deeltjesfysica wordt besteed aan het vinden van manieren om de energie van bepaalde experimenten te verhogen, soms is het zelfs nog belangrijker om manieren te vinden om veilig, snel en gemakkelijk energie uit een experiment halen.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE's) hebben onlangs een nieuw glijdend contactmechanisme met ultralage wrijving ontwikkeld dat gekoeld water gebruikt om warmte te verwijderen van een belangrijk onderdeel van een volgende generatie versneller.

"Als je denkt aan autorijden, je moet wrijving gebruiken om je wielen te remmen, " zei Wei Gai, een hoge-energiefysicus uit Argonne en leider van de Argonne Wakefield Accelerator-groep. "Voor ons, de belangrijkste uitdaging was het vinden van een manier om een ​​remachtig contact van metalen remblokken met een snel rijdend wiel te krijgen zonder veel wrijving."

De afgelopen twee jaar, Gai en zijn collega's hebben geprobeerd een werkend prototype samen te stellen voor een belangrijk onderdeel van de voorgestelde toekomstige International Linear Collider (ILC). Dit apparaat, een "positron-doelwit" genoemd, " zou wetenschappers in staat stellen om positronen te produceren, het antimaterie-broerdeeltje van het elektron.

Bij het ILC, een machine van 20 tot 30 mijl die door Japan wordt overwogen, wetenschappers zouden elektronen en positronen met elkaar laten botsen, en de resulterende vernietiging van energetische deeltjes zou licht kunnen werpen op een aantal onopgeloste vragen in de natuurkunde, variërend van onbekende dimensies tot kandidaten voor donkere materie.

"De eerste prioriteit voor de ILC was het verkrijgen van een betrouwbare bron van gepolariseerde positronen, " zei Gai. Hoewel de positronen niet worden gepolariseerd door het doelwit - dat gebeurt in een aparte stap - is het hebben van een betrouwbare positronenbron een grote stap voorwaarts.

Positronen worden gecreëerd wanneer een zeer energetisch foton - een zogenaamde gammastraal - in de buurt van een atoomkern komt. Vervolgens, in een proces dat bekend staat als paarproductie, de energie in het foton wordt spontaan omgezet in één elektron en één positron.

"Voor sommige mensen dit lijkt alsof het universum iets van niets maakt, " zei Argonne elektrotechnisch ingenieur Wanming Liu. "Maar Einstein toonde aan dat energie en massa in elkaar kunnen worden omgezet, dus zolang het inkomende foton genoeg energie heeft, je kunt samen een positron en een elektron creëren."

Het maken en verzamelen van die positronen, echter, geen gemakkelijke taak geweest. Eerst, de gammastraal die nodig is om de positronen te creëren, werkt enigszins als een intense en gefocuste zaklamp en zal in wezen dwars door alles heen branden dat te lang direct op zijn pad blijft.

Om dit probleem aan te pakken, de onderzoekers creëerden eerst een wiel van titaniumlegering met een diameter van ongeveer drie voet en een dikte van een halve inch. De inkomende gammastraal zou een plek treffen in de richting van de buitenrand van het wiel, waardoor het opwarmt terwijl het positron-elektronenparen genereert. De elektronen en overtollige gammastraling zouden worden uitgestoten, terwijl de positronen zouden worden geoogst door middel van magnetische besturing.

Om schade aan het wiel door langdurige blootstelling op één plek te voorkomen, het onderzoeksteam ontwierp een manier om het wiel snel te laten draaien - met ongeveer 220 mijl per uur - en veranderde voortdurend de plek waar de straal het wiel raakte.

Hoewel dit een probleem oploste bij het ontwerpen van een positron-doelwit, de echte uitdaging was het verwijderen van de warmte-energie van het wiel. Omdat de positronen in een vacuüm moeten worden opgevangen en versneld en omdat de binnenkomende gammastraalstraal door alles heen kan branden dat te lang in de weg staat, de onderzoekers moesten het doelwit bedienen in een omgeving met ultrahoog vacuüm. Werken in een vacuüm, echter, betekende dat ze geen warmte konden afvoeren naar de omgeving, dus ze hadden een andere oplossing nodig.

Het antwoord dat ze vonden - geleiding - zou bekend zijn bij iedereen die ooit midden in de nacht de koude voeten van een ander heeft gevoeld. Door het oppervlak van een koelkussen bedekt met een dunne laag wolfraamdisulfide of soortgelijke droge smeermiddelen direct in contact te brengen met het roterende wiel, de onderzoekers ontdekten dat ze warmte-energie uit het systeem konden zuigen, voorkomen dat het doelwit oververhit raakt of anderszins wordt beschadigd. Het koelkussen bevat een kamer gevuld met gekoeld water dat continu van buiten het vacuümgedichte apparaat kan worden bijgevuld.

"Onze doorbraak was echt drieledig:dat we een manier konden vinden om de positronen te genereren, dat we energie uit het systeem konden halen en dat we het apparaat voor langere tijd konden laten werken, ' zei Gai.

Volgens Gai, de volgende fase van het onderzoek omvat het continu bedienen van het positron-doel voor een periode van ongeveer zeven of acht maanden om ervoor te zorgen dat de machine de stress van een langdurige periode van experimenteel onderzoek zou kunnen weerstaan. Het definitieve ontwerp werd voltooid door Argonne-ingenieur Scott Doran.

"Omdat de ILC zo'n grote internationale investering vertegenwoordigt, we moeten ervoor zorgen dat alles wordt getest, uitgecheckt en klaar om zoveel mogelijk van tevoren te gaan, ' zei Gai.