Les accélérateurs de particules sont les moteurs de la recherche en physique des particules au Laboratoire Fermi. Ils génèrent presque la vitesse de la lumière, particules subatomiques que les scientifiques étudient pour aller au fond de ce qui fait vibrer notre univers. Les expériences du Fermilab reposent sur un certain nombre d'accélérateurs différents, y compris un puissant, Accélérateur linéaire de 500 pieds de long qui lance le processus d'envoi de faisceaux de particules vers diverses destinations.

Mais si vous ne faites pas de recherche en physique, à quoi sert un accélérateur ?

Il s'avère, beaucoup :les faisceaux d'électrons générés par les accélérateurs linéaires ont toutes sortes d'utilisations pratiques, comme rendre les fils utilisés dans les voitures résistants à la fonte ou purifier l'eau.

Un projet appelé Accelerator Application Development and Demonstration (A2D2) au Fermilab's Illinois Accelerator Research Center aidera Fermilab et ses partenaires à explorer de nouvelles applications pour les accélérateurs linéaires compacts, qui ne mesurent que quelques pieds de long plutôt que quelques centaines. Ces accélérateurs compacts présentent un intérêt particulier en raison de leur petite taille - ils sont moins chers et plus pratiques à construire dans un environnement industriel que les accélérateurs de recherche en physique des particules - et ils peuvent être plus puissants que jamais.

"A2D2 a deux aspects :l'un est d'étudier de nouvelles applications sur la façon dont les faisceaux d'électrons pourraient être utilisés pour changer, modifier ou traiter différents matériaux, " a déclaré Tom Kroc du Laboratoire Fermi, un physicien A2D2. "La seconde est de contribuer un peu plus à la compréhension de la façon dont ces processus se produisent."

Pour développer ces aspects des applications des accélérateurs, A2D2 utilisera un accélérateur linéaire compact qui était autrefois utilisé dans un hôpital pour traiter les tumeurs avec des faisceaux d'électrons. Avec quelques améliorations pour augmenter sa puissance, l'accélérateur A2D2 sera prêt à se lancer dans une nouvelle aventure :explorer et comparer d'autres utilisations possibles des faisceaux d'électrons, qui permettra de préciser la conception d'un nouveau, niveau industriel, machine de grande puissance en cours de développement par le CIRC et ses partenaires.

Il n'y aura pas que les scientifiques du Fermilab utilisant l'accélérateur A2D2 :dans le cadre du CIRC, l'accélérateur pourra être utilisé (généralement par le biais d'un accord formel CRADA ou SPP) par toute personne ayant une nouvelle idée d'applications de faisceaux d'électrons. L'objectif du CIRC est de s'associer à l'industrie pour explorer les moyens de traduire la recherche fondamentale et les outils, y compris la recherche sur les accélérateurs, dans des applications commerciales.

"J'ai déjà beaucoup de gens de l'industrie qui me demandent, « Quand puis-je utiliser A2D2 ? » a déclaré Charlie Cooper, directeur général du CIRC. "A2D2 va nous permettre de contribuer directement aux applications industrielles, c'est quelque chose de concret que le CIRC propose désormais."

En parlant de béton, l'une des premières applications envisagées pour les accélérateurs linéaires compacts est la création d'une chaussée durable pour les routes qui ne se fissure pas par temps froid ou ne s'étale pas sous la chaleur. Cela pourrait être réalisé en remplaçant l'asphalte traditionnel par un matériau qui pourrait être renforcé à l'aide d'un accélérateur. La force supplémentaire viendrait de la réticulation, un processus qui crée des liaisons entre les couches de matériau, presque comme appliquer de la colle entre des feuilles de papier. Une seule feuille de papier se déchire facilement, mais lorsque deux ou plusieurs couches sont liées par de la colle, le papier devient plus fort.

"En utilisant des accélérateurs, vous pourriez avoir un trottoir qui dure plus longtemps, est plus dur et a une plus grande plage de température, " a déclaré Bob Kephart, directeur du CIRC. Kephart détient deux brevets pour le procédé de durcissement du ciment par réticulation. "Essentiellement, tu mettrais la route comme tu le fais en ce moment, et tu passerais un accélérateur dessus, et soudain, vous le transformiez en trucs vraiment durs, comme la doublure de caisse à l'arrière de votre camionnette. "

Ce processus a déjà attiré l'attention de l'US Army Corps of Engineers, qui sera l'un des premiers partenaires d'A2D2. Un autre partenaire sera le Chicago Metropolitan Water Reclamation District, qui testera l'utilité des accélérateurs compacts pour la purification de l'eau. De nombreux autres clients potentiels font la queue pour utiliser la plateforme technologique A2D2.

"Vous pouvez essentiellement conduire des réactions chimiques avec des faisceaux d'électrons - et dans de nombreux cas, ceux-ci peuvent être plus efficaces que la technologie conventionnelle, il y a donc une variété d'applications, " a déclaré Kephart. " Habituellement, ce que vous devez faire est de préparer un lot de quelque chose et de le chauffer pour qu'une réaction se produise. Un faisceau d'électrons peut provoquer une réaction en brisant une liaison avec un seul électron."

En d'autres termes, au lieu de devoir cuire longtemps un matériau pour atteindre une chaleur spécifique qui induirait une réaction chimique, vous pouvez le zapper avec un faisceau d'électrons pour obtenir le même effet en une fraction du temps.

En plus d'explorer les nouvelles applications des faisceaux d'électrons avec l'accélérateur A2D2, les scientifiques et les ingénieurs du CIRC utilisent une technologie d'accélérateur de pointe pour concevoir et construire un nouveau type de portable, accélérateur compact, celui qui prendra les applications découvertes avec A2D2 hors du laboratoire et sur le terrain. L'accélérateur A2D2 est déjà petit par rapport à la plupart des accélérateurs, mais la dernière R&D permet aux experts du CIRC de réduire la taille tout en augmentant encore la puissance de leur accélérateur proposé.

"Le nouveau, l'accélérateur compact que nous développons sera de haute puissance et haute énergie pour l'industrie, " Cooper a déclaré. "Cela permettra certaines choses qui n'étaient pas possibles dans le passé. Pour quelque chose comme le nettoyage de l'environnement, vous pouvez amener l'accélérateur directement sur le site."

Alors que l'équipe du CIRC développe cet accélérateur portable, qui devrait pouvoir tenir sur une remorque standard, l'accélérateur A2D2 continuera d'être un endroit pour expérimenter comment utiliser les faisceaux d'électrons et étudier ce qui se passe lorsque vous le faites.

"Le point de cette installation est plus le développement que la recherche, cependant il y aura des recherches sur des échantillons irradiés, " a déclaré Mike Geelhoed du Laboratoire Fermi, l'un des chefs de file du projet A2D2. « Nous sommes tous excités, du moins je le suis. Nos partenaires et nous attendions cette machine depuis un certain temps maintenant. Nous voulons tous voir à quel point elle peut bien fonctionner. »