Bien que beaucoup de temps et d'efforts en physique des particules soient consacrés à trouver des moyens d'augmenter l'énergie de certaines expériences, parfois, il est encore plus important de trouver des moyens de rapidement et facilement l'énergie d'une expérience.

Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont récemment développé un nouveau mécanisme de contact coulissant à très faible friction qui utilise de l'eau réfrigérée pour éliminer la chaleur d'un composant clé d'un collisionneur de nouvelle génération.

"Quand tu penses à conduire une voiture, vous devez utiliser la friction pour freiner vos roues, " dit Wei Gai, un physicien des hautes énergies d'Argonne et chef du groupe Argonne Wakefield Accelerator. "Pour nous, le principal défi consistait à trouver un moyen d'avoir un contact semblable à un frein de plaquettes métalliques contre une roue à grande vitesse sans trop de friction."

Depuis deux ans, Gai et ses collègues ont tenté d'assembler un prototype fonctionnel pour un composant clé du futur collisionneur linéaire international (ILC) proposé. Cet appareil, appelé "cible de positons, " permettrait aux scientifiques de produire des positons, la particule sœur d'antimatière de l'électron.

A l'ILC, une machine de 20 à 30 milles de long envisagée par le Japon, les scientifiques entreraient en collision des électrons et des positrons, et les annihilations de particules énergétiques qui en résultent pourraient faire la lumière sur un certain nombre de questions non résolues en physique qui vont des dimensions inconnues aux candidats à la matière noire.

"La priorité numéro un pour l'ILC a été d'obtenir une source fiable de positons polarisés, " a déclaré Gai. Bien que les positons ne soient pas polarisés par la cible - cela se fait dans une étape distincte - avoir une source de positons fiable est un grand pas en avant.

Les positons sont créés lorsqu'un photon hautement énergétique, appelé rayon gamma, arrive à proximité d'un noyau atomique. Puis, dans un processus connu sous le nom de production de paires, l'énergie contenue dans le photon est convertie spontanément en un électron et un positon.

"Pour certaines personnes, on dirait que l'univers fait quelque chose à partir de rien, " a déclaré l'ingénieur électricien d'Argonne Wanming Liu. " Mais Einstein a montré que l'énergie et la masse peuvent être converties l'une dans l'autre, tant que le photon entrant a assez d'énergie, vous pouvez créer un positron et un électron ensemble."

Créer et collecter ces positons, cependant, n'a pas été une tâche facile. D'abord, le faisceau de rayons gamma nécessaire pour créer les positons fonctionne un peu comme une lampe de poche intense et focalisée et brûlera essentiellement à travers tout ce qui reste directement sur son chemin pendant trop longtemps.

Pour faire face à ce problème, les chercheurs ont d'abord créé une roue en alliage de titane d'environ trois pieds de diamètre et d'un demi-pouce d'épaisseur. Le faisceau de rayons gamma entrant frapperait un point vers le bord extérieur de la roue, provoquant son échauffement en générant des paires positron-électron. Les électrons et les rayons gamma en excès seraient rejetés, tandis que les positons seraient récoltés par direction magnétique.

Pour éviter d'endommager la roue en cas d'exposition prolongée à un seul endroit, l'équipe de recherche a conçu un moyen de faire tourner la roue rapidement, à environ 220 milles à l'heure, en changeant continuellement l'endroit où le faisceau a heurté la roue.

Bien que cela résolve un problème dans la conception d'une cible à positons, le vrai défi consistait à retirer l'énergie thermique de la roue. Parce que les positons doivent être capturés et accélérés dans le vide et parce que le faisceau de rayons gamma entrant peut brûler tout ce qui se trouve sur son chemin pendant trop longtemps, les chercheurs devaient faire fonctionner la cible dans un environnement à ultra-vide. Travailler dans le vide, cependant, signifiait qu'ils ne pouvaient pas dissiper la chaleur dans l'environnement ambiant, ils avaient donc besoin d'une autre solution.

La réponse qu'ils ont trouvée – la conduction – serait familière à quiconque a déjà ressenti les pieds froids d'une autre personne au milieu de la nuit. En mettant la surface d'un coussin de refroidissement recouvert d'une fine couche de bisulfure de tungstène ou de lubrifiants secs similaires directement en contact avec la roue en rotation, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient aspirer l'énergie thermique du système, empêchant la cible de surchauffer ou d'être autrement endommagée. Le coussin de refroidissement contient une chambre remplie d'eau réfrigérée qui peut être continuellement réapprovisionnée depuis l'extérieur de l'appareil scellé sous vide.

« Notre percée était vraiment triple :nous avons pu trouver un moyen de générer les positons, que nous pouvions retirer de l'énergie du système et que nous pouvions faire fonctionner l'appareil pendant une durée prolongée, " dit Gaï.

Selon Gaï, la prochaine étape de la recherche consiste à faire fonctionner la cible de positons en continu pendant une période d'environ sept ou huit mois afin de s'assurer que la machine pourrait résister aux contraintes d'une période d'étude expérimentale prolongée. La conception finale a été réalisée par l'ingénieur d'Argonne Scott Doran.

« Parce que l'ILC représente un si gros investissement international, nous devons nous assurer que tout est testé, vérifié et prêt à partir autant que possible à l'avance, " dit Gaï.