Alors que les accélérateurs de particules sont peut-être à la pointe de la science, la construction et la préparation de certains composants d'accélérateurs de particules ont longtemps été davantage une forme d'art, dépendant de recettes nées d'essais et d'erreurs. Maintenant, Ari Deibert Palczewski espère changer cela. Un scientifique du département de l'Énergie Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Palczewski a reçu une subvention du programme de recherche en début de carrière du DOE pour remettre la science dans la préparation des accélérateurs de particules.

Les accélérateurs de particules sont des machines incontournables pour les chercheurs qui souhaitent comprendre les moindres fragments de matière ou analyser la structure aux rayons X de molécules complexes, pour les entreprises qui cherchent à désinfecter les appareils médicaux et à numériser les marchandises aux frontières de notre pays. L'augmentation de l'efficacité des composants qui alimentent ces machines pourrait bénéficier à un large éventail d'applications scientifiques et industrielles.

Lorsqu'il s'agit de construire de meilleurs composants pour la radiofréquence supraconductrice, ou SRF, accélérateurs, comme le propre CEBAF de Jefferson Lab, la sagesse traditionnelle a soutenu que les composants les plus efficaces sont faits du métal de niobium le plus pur. Cette sagesse a été renversée en 2012, lorsque deux scientifiques du Jefferson Lab ont involontairement implanté des atomes de titane dans les parois des composants de l'accélérateur de niobium avec des résultats surprenants.

"Niobium, bien sûr, est ce dont nous fabriquons nos accélérateurs de particules, " a expliqué Palczewski. " Gianluigi Ciovati et Pashupati Dhakal ont découvert le dopage au titane lorsqu'ils ont accidentellement implanté du titane d'une manière spécifique dans le niobium, ce qui a rendu le composant de niobium beaucoup plus efficace pour accélérer les particules."

Peu de temps après, les scientifiques du Fermilab ont fait une découverte fortuite similaire, mais cette fois en ajoutant des atomes d'azote au métal niobium. L'amélioration marquée des performances était si impressionnante qu'elle a créé tout un buzz dans la communauté SRF, et Palczewski et ses collègues du Jefferson Lab et du Fermilab ont commencé à affiner le processus de dopage à l'azote. Le savoir-faire a été transféré à l'industrie, lui permettant d'être utilisé dans la production de composants pour le projet LCLS-II, une mise à niveau de la source de lumière cohérente Linac au laboratoire national d'accélérateurs SLAC du DOE qui est actuellement en cours.

Toujours, la meilleure méthode de dopage du niobium pour des performances optimales reste un mystère, et trouver la bonne recette a été plus un jeu de devinettes instruites

"Nous appelons ces recettes, parce que nous faisons quelque chose et ensuite nous vérifions les résultats. Nous ne sommes pas prédictifs à ce sujet, " a déclaré Palczewski. " Ma subvention est en fait de construire un modèle mathématique complet de ce qui se passe dans le dopage. "

Pour faire ça, Palczewski passera les prochaines années à développer des résultats de référence pour deux recettes réussies différentes qui sont utilisées pour doper le niobium avec de l'azote. Ces recettes varient le temps que le niobium est exposé à l'azote gazeux et combien de temps le niobium est ensuite chauffé dans un four pour diffuser les molécules d'azote dans la surface du niobium.

Palczewski utilisera les recettes actuelles et leurs variations incrémentielles pour produire de nouveaux échantillons dont les performances seront testées, afin qu'il puisse développer un modèle théorique de l'évolution des performances attendues en fonction des différents facteurs des recettes.

"Le but est de construire un modèle complet de tout ce qui se passe dans le four, ainsi que la chimie après, et comment il modifie les propriétés supraconductrices. Nous allons sortir un tas de recettes, puis tracez ces points de performance, puis développer un modèle mathématique pour s'adapter à ce que nous voyons, " expliqua-t-il. " Et puis la prochaine étape est d'aller dans un nouvel endroit, où personne n'a jamais fait ça avant. Nous allons proposer une recette, entrez-le dans le modèle mathématique, puis voyez à quel point le nouveau modèle est prédictif par rapport à la réalité. »

Dans ces premiers stades, Palczewski prévoit de garder la recherche relativement simple. Avec l'aide d'un étudiant diplômé et d'un chercheur postdoctoral financé par la bourse de recherche, il utilisera une source pour le niobium métal et modifiera seulement quelques paramètres dans la préparation de la cavité. Mais éventuellement, il aimerait rendre le modèle plus robuste en incluant d'autres facteurs, telles que différentes sources de niobium, différents fabricants de composants et des ajustements de préparation supplémentaires.

"À la fin, Je suis un expérimentateur qui veut devenir physicien théoricien. Donc, Je me rencontre au milieu en créant un ensemble de données unique que personne d'autre n'a, puis développer un modèle ajusté construit sur des données expérimentales, ", a-t-il déclaré. "Parce que le domaine doit dépasser la fabrication de recettes et se diriger vers un véritable développement scientifique utilisant cette technologie."