Bob Zwaska, een wetenschapper bij Fermilab van het Amerikaanse ministerie van Energie, keek naar een deelnemer van de kookshow Chopped spin sugar for their dessert toen hij zich realiseerde dat hetzelfde principe van toepassing zou kunnen zijn op acceleratiedoelen.

Een van de manieren waarop deeltjesversnellers deeltjes produceren, is door deeltjesbundels op doelen af ​​te vuren. Deze doelen zijn stationair, stevige blokken materiaal, zoals grafiet of beryllium. Wanneer de straal in botsing komt met het doel, het produceert secundaire deeltjes, zoals pionnen, die vervallen in tertiaire deeltjes, zoals neutrino's en muonen.

Toekomstige experimenten met deeltjesfysica worden beperkt door de doelen die momenteel worden gebruikt in deeltjesversnellers. Een daarvan is het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, een baanbrekend experiment georganiseerd door Fermilab en ontwikkeld in samenwerking met meer dan 170 instellingen wereldwijd. DUNE probeert te begrijpen waarom er materie in het universum bestaat door de mysteries van spookachtige deeltjes, neutrino's genaamd, te ontrafelen. Om deze mysteries op te lossen, de door DUNE gebruikte versnellerstraal moet een vermogen bereiken van minimaal 1,2 megawatt, twee keer zoveel als de huidige doelen aankunnen.

Het botsingspunt tussen de straal en het doel - een gebied dat aanzienlijk kleiner is dan het doel zelf, variërend tussen de grootte van een mier en het grafiet in een mechanisch potlood - wordt snel en herhaaldelijk verwarmd tot boven de 500 graden Celsius. Deze hitte zorgt ervoor dat dat kleine gebied probeert uit te zetten, maar, omdat de momenteel gebruikte doelen solide zijn, er is geen ruimte voor uitbreiding. In plaats daarvan, de hotspot duwt keer op keer tegen de omgeving, als een jackhammer. Dit kan het doelwit beschadigen.

Als je in een zwembad duikt, je botsing met het water zorgt ervoor dat golven over het oppervlak rimpelen. Wanneer de golven de rand van het zwembad bereiken, ze zullen terugveren en andere golven oversteken, ofwel elkaar vernietigen of combineren om een ​​grotere golf te maken. In een zwembad, als een golf te groot wordt, het water kan gewoon over de rand spatten. In een solide doel, echter, als een golf te groot wordt, het materiaal zal barsten.

Bij de huidige bundelintensiteiten van de Fermilab-deeltjesversneller, dit is geen probleem, omdat doelen lange tijd bestand zijn tegen de resulterende golven. Naarmate Fermilab zijn versnellercomplex opwaardeert en de intensiteit toeneemt, dat uithoudingsvermogen drastisch daalt.

"Wereldwijd, er is een drang naar machines met een hogere intensiteit om zeldzame deeltjes te creëren. Deze doelstellingen waren soms de enige beperkende factor in de prestaties van dergelijke faciliteiten, "Zei Zwaska. "Dus, om gebieden van nieuwe fysica te onderzoeken, we moeten aandringen op nieuwe technologieën om dit probleem het hoofd te bieden."

Belast met het bedenken van een alternatief doelwit voor gebruik in krachtige versnellers, zoals degenen die een straal naar DUNE zullen sturen, Zwaska had een doel voor ogen dat uit veel kronkels en bochten bestaat om golfvorming te voorkomen. Dit bochtige doelwit zou ook op microschaal sterk en solide zijn. Hij testte eerst grafietkabels, 3D-geprinte vezels, en meestal hol, netvormige vaste stoffen voordat hij op het concept van gesponnen suiker stuitte, wat hem naar electrospinning leidde.

Voor het eerst voorgesteld in de vroege jaren 1900 om dunnere kunstzijde te produceren, electrospinning is gebruikt voor luchtfiltratie in auto's, wondverband en farmaceutische medicijnen. Zoals het spinnen van suiker, elektrospinnen houdt in dat een vloeibaar gemaakt materiaal wordt gebruikt om dunne strengen te creëren die uiteindelijk uitharden tot de gewenste structuur. In plaats van de vloeistof te verwarmen, electrospinning past er een positieve lading op toe. De lading op de vloeistof creëert een aantrekkingskracht tussen de vloeistof en een neutrale plaat, enige afstand geplaatst. Deze aantrekkingskracht rekt het materiaal naar de plaat, het creëren van een solide, vezelig materiaal.

Voor acceleratiedoelen, specialisten maken van metaal of keramiek een stevig maar poreus materiaal dat bestaat uit duizenden vezelstrengen met een diameter van minder dan een micrometer. Dat is minder dan een honderdste van de dikte van een gemiddeld mensenhaar, en ongeveer een derde van een spinnenweb.

Wanneer de deeltjesbundel botst met een elektrospun-doelwit, de vezels zullen geen golven voortplanten. Het ontbreken van potentieel materiaalbeschadigende golven betekent dat deze doelen een veel hogere bundelintensiteit kunnen weerstaan.

In plaats van een zwembad, stel je voor dat je in een ballenbak springt. Je botsing zal de opstelling van de ballen direct om je heen verstoren, maar laat de omringende ballen met rust. Het elektrospun-doel werkt op dezelfde manier. Het proces laat ruimte tussen elke vezel, waardoor de vezels gelijkmatig kunnen uitzetten, het jack hammer-effect te vermijden.

Hoewel deze nieuwe technologie mogelijk veel van de problemen met de huidige doelen oplost, het heeft zijn eigen obstakels te overwinnen. Typisch, het proces om een ​​electrospun target te maken duurt dagen, waarbij experts vaak moeten stoppen om complicaties in de manier waarop het materiaal zich ophoopt te corrigeren.

Sujit Bidhar, een postdoctoraal onderzoeker bij Fermilab, probeert deze problemen aan te pakken.

Bidhar ontwikkelt en test methoden die het aantal spin-off-punten van vezels die zich in één keer vormen, vergroten, een dikker nanovezeldoel produceren, en verminder de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de positieve lading te creëren. Deze verbeteringen zouden het proces zowel versnellen als vereenvoudigen.

Terwijl hij nog steeds verschillende elektrospintechnieken probeert, Bidhar heeft al een nieuw elektrospinsysteem, waarvoor patent is aangevraagd, ontwikkeld. inclusief een nieuwe voeding.

De elektrospin-eenheid van Bidhar is compacter, meer lichtgewicht, eenvoudiger en goedkoper dan de meeste conventionele eenheden.

Het is ook veel veiliger in gebruik vanwege het beperkte uitgangsvermogen. De huidige commerciële voedingen leveren een hoeveelheid elektrisch vermogen die veel groter is dan wat nodig is om elektrospun-doelen te maken. De voedingseenheid van Bidhar vermindert het elektrisch vermogen en de totale grootte van de unit met de helft, wat het ook veiliger maakt om te gebruiken.

In mei 2018, De voeding van Bidhar won de TechConnect Innovation Award. Bidhar wordt aangemoedigd door wat deze technologie betekent voor de deeltjesfysica en ook voor andere industrieën.

"Medisch personeel zou deze stroomvoorziening kunnen gebruiken om biologisch afbreekbare wondverbanden te maken op afgelegen en mobiele locaties, zonder een omvangrijke en hoogspanningseenheid, ' zei Bidhar.

Electrospun doelen, zoals de voeding van Bidhar, zou de toekomst van deeltjesfysica-versnellers kunnen innoveren, waardoor experimenten zoals DUNE hogere niveaus van bundelintensiteit kunnen bereiken. Deze stralen met een hogere intensiteit zullen wetenschappers helpen bij het oplossen van de blijvende mysteries van de astrofysica, kernfysica en deeltjesfysica.