Bob Zwaska, un scientifique au Fermilab du département américain de l'Énergie, regardait un concurrent de l'émission culinaire Chopped spin sugar pour son dessert lorsqu'il s'est rendu compte que le même principe pourrait s'appliquer aux cibles d'accélérateurs.

L'un des moyens par lesquels les accélérateurs de particules produisent des particules consiste à tirer des faisceaux de particules sur des cibles. Ces cibles sont fixes, blocs solides de matière, comme le graphite ou le béryllium. Lorsque le faisceau entre en collision avec la cible, il produit des particules secondaires, comme les pions, qui se désintègrent en particules tertiaires, comme les neutrinos et les muons.

Les futures expériences de physique des particules sont limitées par les cibles actuellement utilisées dans les accélérateurs de particules. L'une est l'expérience internationale Deep Underground Neutrino, une expérience de pointe hébergée par Fermilab et développée en collaboration avec plus de 170 institutions dans le monde. DUNE cherche à comprendre pourquoi la matière existe dans l'univers en perçant les mystères des particules fantomatiques appelées neutrinos. Pour résoudre ces mystères, le faisceau accélérateur utilisé par DUNE doit atteindre une puissance d'au moins 1,2 mégawatt, deux fois la quantité que les cibles actuelles peuvent gérer.

Le point de collision entre le faisceau et la cible - une zone nettement plus petite que la cible elle-même, variant entre la taille d'une fourmi et le graphite d'un porte-mine est chauffé rapidement et à plusieurs reprises à plus de 500 degrés Celsius. Cette chaleur fait que cette petite zone essaie de s'étendre, mais, car les cibles actuellement utilisées sont solides, il n'y a pas de place pour l'expansion. Au lieu, le point chaud pousse encore et encore contre la zone environnante, comme un marteau-piqueur. Cela a le potentiel d'endommager la cible.

Lorsque vous plongez dans une piscine, votre collision avec l'eau provoque des vagues à la surface. Quand les vagues atteignent le bord de la piscine, ils rebondiront et traverseront d'autres vagues, soit en se détruisant l'un l'autre, soit en se combinant pour former une plus grande vague. Dans une piscine, si une vague devient trop grosse, l'eau peut simplement éclabousser le bord. Dans une cible solide, cependant, si une vague devient trop grosse, le matériau va se fissurer.

Aux intensités de faisceau actuelles de l'accélérateur de particules Fermilab, ce n'est pas un problème, car les cibles peuvent résister longtemps aux vagues qui en résultent. Au fur et à mesure que le Fermilab améliore son complexe d'accélérateurs et que l'intensité augmente, que le temps d'endurance diminue considérablement.

"À l'échelle mondiale, il y a une pression pour que les machines à plus haute intensité créent des particules rares. Ces objectifs ont parfois été le seul facteur limitant de la performance de telles installations, " dit Zwaska. " Alors, aux domaines de recherche de la nouvelle physique, nous devons faire pression pour que les nouvelles technologies fassent face à ce problème."

Chargé de proposer une cible alternative à utiliser dans les accélérateurs de grande puissance, comme ceux qui enverront un rayon à DUNE, Zwaska a imaginé une cible composée de nombreux rebondissements pour empêcher toute accumulation de vagues. Cette cible sinueuse serait également forte et solide à l'échelle microscopique. Il a d'abord testé des cordes en graphite, Fibres imprimées en 3D, et surtout creux, solides réticulés avant qu'il ne tombe sur le concept du sucre filé, qui l'a conduit à l'électrofilage.

D'abord proposé au début des années 1900 pour produire de la soie artificielle plus fine, l'électrofilage a été utilisé pour la filtration de l'air dans les voitures, pansements et médicaments pharmaceutiques. Comme le sucre qui file, l'électrofilage implique l'utilisation d'un matériau liquéfié pour créer des brins minces qui finissent par durcir dans la structure souhaitée. Au lieu de chauffer le liquide, l'électrofilage lui applique une charge positive. La charge sur le liquide crée une attraction entre celui-ci et une plaque neutre, placé à une certaine distance. Cette attraction tend la matière vers la plaque, créer un solide, matière fibreuse.

Pour les cibles d'accélérateur, Les spécialistes transforment le métal ou la céramique en un matériau solide mais poreux composé de milliers de brins de fibres de moins d'un micromètre de diamètre. C'est moins d'un centième de l'épaisseur d'un cheveu humain moyen, et environ un tiers de la toile d'une araignée.

Lorsque le faisceau de particules entre en collision avec une cible électrofilée, les fibres ne propageront aucune onde. L'absence d'ondes potentiellement dommageables pour les matériaux signifie que ces cibles peuvent résister à une intensité de faisceau beaucoup plus élevée.

Au lieu d'une piscine, imaginez que vous sautez dans une piscine à balles. Votre collision perturbera la disposition des boules immédiatement autour de vous mais laissera les boules environnantes tranquilles. La cible électrofilée agit de la même manière. Le procédé laisse de l'espace entre chaque fibre, permettre aux fibres de se dilater uniformément, en évitant l'effet marteau-piqueur.

Bien que cette nouvelle technologie résolve potentiellement de nombreux problèmes avec les cibles actuelles, il a ses propres obstacles à surmonter. Typiquement, le processus de fabrication d'une cible électrofilée prend des jours, les experts devant fréquemment s'arrêter pour corriger les complications liées à l'accumulation du matériel.

Sujit Bidhar, chercheur postdoctoral au Fermilab, essaie de résoudre ces problèmes.

Bidhar développe et teste des méthodes qui augmentent le nombre de points de spin-off de la fibre qui se forment en même temps, produire une cible de nanofibres plus épaisse, et diminuer la quantité d'électricité nécessaire pour créer la charge positive. Ces avancées permettraient à la fois d'accélérer et de simplifier le processus.

Alors qu'il essaie encore différentes techniques d'électrofilage, Bidhar a déjà développé un nouveau système d'électrofilage en instance de brevet, y compris une nouvelle alimentation.

L'unité d'électrofilage de Bidhar est plus compacte, plus léger, plus simple et moins cher que la plupart des unités conventionnelles.

Il est également beaucoup plus sûr à utiliser en raison de sa puissance de sortie limitée. Les alimentations commerciales actuelles produisent une quantité d'énergie électrique qui dépasse de loin ce qui est nécessaire pour fabriquer des cibles électrofilées. Le bloc d'alimentation de Bidhar réduit de moitié la puissance électrique et la taille globale de l'unité, ce qui le rend également plus sûr à utiliser.

En mai 2018, L'alimentation de Bidhar a remporté le prix de l'innovation TechConnect. Bidhar est encouragé par ce que cette technologie signifie pour la physique des particules et aussi pour d'autres industries.

« Le personnel médical pourrait utiliser cette alimentation électrique pour créer des pansements biodégradables dans des endroits éloignés et mobiles, sans bloc encombrant et haute tension, " a déclaré Bidhar.

Cibles électrofilées, comme l'alimentation de Bidhar, pourrait innover l'avenir des accélérateurs de physique des particules, permettant à des expériences telles que DUNE d'atteindre des niveaux d'intensité de faisceau plus élevés. Ces faisceaux de plus haute intensité aideront les scientifiques à résoudre les mystères persistants de l'astrophysique, physique nucléaire et physique des particules.