Gli acceleratori di particelle sono i motori della ricerca in fisica delle particelle al Fermilab. Generano quasi velocità della luce, particelle subatomiche che gli scienziati studiano per arrivare al fondo di ciò che fa ticchettare il nostro universo. Gli esperimenti del Fermilab si basano su una serie di acceleratori diversi, compreso un potente, Acceleratore lineare lungo 500 piedi che avvia il processo di invio di fasci di particelle a varie destinazioni.

Ma se non stai facendo ricerche di fisica, a cosa serve un acceleratore?

Si scopre, parecchio:i fasci di elettroni generati dagli acceleratori lineari hanno tutti i tipi di usi pratici, come rendere i fili utilizzati nelle automobili resistenti allo scioglimento o purificare l'acqua.

Un progetto chiamato Accelerator Application Development and Demonstration (A2D2) presso l'Illinois Accelerator Research Center di Fermilab aiuterà Fermilab e i suoi partner a esplorare nuove applicazioni per acceleratori lineari compatti, che sono lunghi solo pochi piedi anziché poche centinaia. Questi acceleratori compatti sono di particolare interesse a causa delle loro piccole dimensioni:sono più economici e più pratici da costruire in un ambiente industriale rispetto agli acceleratori per la ricerca sulla fisica delle particelle e possono essere più potenti che mai.

"A2D2 ha due aspetti:uno è studiare nuove applicazioni di come i fasci di elettroni potrebbero essere usati per cambiare, modificare o elaborare materiali diversi, " ha detto Tom Kroc del Fermilab, un fisico A2D2. "Il secondo è contribuire un po' di più alla comprensione di come avvengono questi processi".

Per sviluppare questi aspetti delle applicazioni degli acceleratori, A2D2 impiegherà un acceleratore lineare compatto che un tempo era utilizzato in un ospedale per trattare i tumori con fasci di elettroni. Con alcuni aggiornamenti per aumentare la sua potenza, l'acceleratore A2D2 sarà pronto per intraprendere una nuova avventura:esplorare e confrontare altri possibili usi dei fasci di elettroni, che aiuterà a specificare il design di un nuovo, di livello industriale, macchina ad alta potenza in fase di sviluppo da parte di IARC e dei suoi partner.

Non saranno solo gli scienziati del Fermilab a utilizzare l'acceleratore A2D2:come parte di IARC, l'acceleratore sarà disponibile per l'uso (tipicamente attraverso un formale accordo CRADA o SPP) da chiunque abbia un'idea nuova per le applicazioni del fascio di elettroni. Lo scopo di IARC è quello di collaborare con l'industria per esplorare modi per tradurre la ricerca di base e gli strumenti, compresa la ricerca sugli acceleratori, in applicazioni commerciali.

"Ho già molte persone del settore che mi chiedono, 'Quando posso usare A2D2?'", ha detto Charlie Cooper, direttore generale dell'IARC. "A2D2 ci consentirà di contribuire direttamente alle applicazioni industriali:è qualcosa di concreto che IARC ora offre".

Parlando di cemento, una delle prime applicazioni in mente per gli acceleratori lineari compatti è la creazione di pavimentazioni durevoli per le strade che non si crepano al freddo o si allargano al caldo. Ciò potrebbe essere ottenuto sostituendo l'asfalto tradizionale con un materiale che potrebbe essere rinforzato utilizzando un acceleratore. La forza extra verrebbe dalla reticolazione, un processo che crea legami tra strati di materiale, quasi come applicare la colla tra fogli di carta. Un singolo foglio di carta si strappa facilmente, ma quando due o più strati sono collegati da colla, la carta diventa più forte.

"Usando gli acceleratori, potresti avere un marciapiede che dura di più, è più resistente e ha un intervallo di temperatura più ampio, " ha detto Bob Kephart, direttore dell'IARC. Kephart detiene due brevetti per il processo di polimerizzazione del cemento tramite reticolazione. "Fondamentalmente, metteresti giù la strada come fai adesso, e ci passeresti sopra un acceleratore, e all'improvviso lo trasformeresti in cose davvero difficili, come il rivestimento del letto nel retro del tuo camioncino".

Questo processo ha già attirato l'attenzione del Corpo degli Ingegneri dell'Esercito degli Stati Uniti, che sarà uno dei primi partner di A2D2. Un altro partner sarà il Chicago Metropolitan Water Reclamation District, che metterà alla prova l'utilità di acceleratori compatti per la purificazione dell'acqua. Molti altri potenziali clienti si stanno mettendo in fila per utilizzare la piattaforma tecnologica A2D2.

"In pratica puoi guidare le reazioni chimiche con i fasci di elettroni, e in molti casi questi possono essere più efficienti della tecnologia convenzionale, quindi ci sono una varietà di applicazioni, " Kephart ha detto. "Di solito quello che devi fare è fare un lotto di qualcosa e riscaldarlo in modo che si verifichi una reazione. Un raggio di elettroni può provocare una reazione rompendo un legame con un singolo elettrone".

In altre parole, invece di dover cuocere a lungo un materiale per raggiungere un calore specifico che indurrebbe una reazione chimica, potresti fulminarlo con un raggio di elettroni per ottenere lo stesso effetto in una frazione del tempo.

Oltre ad esplorare le nuove applicazioni del fascio di elettroni con l'acceleratore A2D2, scienziati e ingegneri dell'IARC stanno utilizzando una tecnologia di accelerazione all'avanguardia per progettare e costruire un nuovo tipo di acceleratore compatto, uno che porterà le applicazioni scoperte con A2D2 fuori dal laboratorio e sul campo. L'acceleratore A2D2 è già piccolo rispetto alla maggior parte degli acceleratori, ma l'ultima ricerca e sviluppo consente agli esperti IARC di ridurre le dimensioni aumentando ulteriormente la potenza dell'acceleratore proposto.

"Il nuovo, l'acceleratore compatto che stiamo sviluppando sarà ad alta potenza e alta energia per l'industria, " Cooper ha detto. "Questo consentirà alcune cose che non erano possibili in passato. Per qualcosa come la pulizia ambientale, potresti portare l'acceleratore direttamente sul sito."

Mentre il team IARC sviluppa questo acceleratore portatile, che dovrebbe essere in grado di adattarsi a un rimorchio standard, l'acceleratore A2D2 continuerà a essere un luogo in cui sperimentare come utilizzare i fasci di elettroni e studiare cosa succede quando lo fai.

"Il punto di questa struttura è più lo sviluppo che la ricerca, tuttavia ci sarà qualche ricerca sui campioni irradiati, " ha detto Mike Geelhoed del Fermilab, uno dei responsabili del progetto A2D2. "Siamo tutti entusiasti, almeno io lo sono. Noi e i nostri partner abbiamo atteso questa macchina per un po' di tempo. Vogliamo tutti vedere come può funzionare."