Bob Zwaska, uno scienziato del Fermilab del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, stava guardando un concorrente nel programma di cucina Zucchero filato tritato per il loro dessert quando si rese conto che lo stesso principio poteva essere applicabile ai bersagli dell'acceleratore.

Uno dei modi in cui gli acceleratori di particelle producono particelle è sparando fasci di particelle sui bersagli. Questi obiettivi sono stazionari, solidi blocchi di materiale, come grafite o berillio. Quando il raggio si scontra con il bersaglio, produce particelle secondarie, come i pioni, che decadono in particelle terziarie, come neutrini e muoni.

I futuri esperimenti di fisica delle particelle sono limitati dagli obiettivi attualmente utilizzati negli acceleratori di particelle. Uno è l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, un esperimento all'avanguardia ospitato da Fermilab e sviluppato in collaborazione con più di 170 istituzioni in tutto il mondo. DUNE cerca di capire perché la materia esiste nell'universo svelando i misteri delle particelle spettrali chiamate neutrini. Per risolvere questi misteri, il raggio acceleratore utilizzato da DUNE deve raggiungere una potenza di almeno 1.2 megawatt, il doppio della quantità che gli obiettivi attuali possono gestire.

Il punto di collisione tra il raggio e il bersaglio, un'area significativamente più piccola del bersaglio stesso, variabile tra le dimensioni di una formica e la grafite in una matita meccanica, viene rapidamente e ripetutamente riscaldata a oltre 500 gradi Celsius. Questo calore fa sì che quella piccola area cerchi di espandersi, ma, perché gli obiettivi attualmente utilizzati sono solidi, non c'è spazio per l'espansione. Anziché, il punto caldo spinge ripetutamente contro l'area circostante, come un martello pneumatico. Questo ha il potenziale per danneggiare il bersaglio.

Quando ti immergi in una piscina, la tua collisione con l'acqua provoca l'increspatura delle onde sulla superficie. Quando le onde raggiungono il bordo della piscina, rimbalzeranno e attraverseranno altre onde, o distruggendosi a vicenda o combinandosi per creare un'onda più grande. In una piscina, se un'onda diventa troppo grande, l'acqua può semplicemente schizzare oltre il bordo. In un obiettivo solido, però, se un'onda diventa troppo grande, il materiale si spezzerà.

Alle attuali intensità del fascio dell'acceleratore di particelle del Fermilab, questo non è un problema, perché i bersagli possono resistere a lungo alle onde risultanti. Man mano che il Fermilab aggiorna il suo complesso di acceleratori e l'intensità aumenta, quel tempo di resistenza diminuisce drasticamente.

"In tutto il mondo, c'è una spinta per macchine ad alta intensità per creare particelle rare. Questi obiettivi sono stati talvolta l'unico fattore limitante nelle prestazioni di tali strutture, " disse Zwaska. "Allora, alle aree di ricerca della nuova fisica, dobbiamo spingere per nuove tecnologie per affrontare questo problema".

Incaricato di trovare un obiettivo alternativo da utilizzare in acceleratori ad alta potenza, come quelli che invieranno un raggio a DUNE, Zwaska ha immaginato un obiettivo che consiste in molti colpi di scena per prevenire l'accumulo di onde. Questo sinuoso obiettivo sarebbe anche forte e solido su scala micro. Ha prima testato le corde di grafite, fibre stampate in 3D, e per lo più vuoto, solidi reticolati prima di imbattersi nel concetto di zucchero filato, che lo ha portato all'elettrofilatura.

Proposto per la prima volta nei primi anni del 1900 per produrre seta artificiale più sottile, l'elettrofilatura è stata utilizzata per la filtrazione dell'aria nelle automobili, medicazione per ferite e farmaci. Come lo zucchero filato, l'elettrofilatura comporta l'utilizzo di un materiale liquefatto per creare fili sottili che alla fine si induriscono nella struttura desiderata. Invece di riscaldare il liquido, l'elettrofilatura gli applica una carica positiva. La carica sul liquido crea un'attrazione tra esso e una piastra neutra, posto a una certa distanza. Questa attrazione tende il materiale verso la lastra, creando un solido, materiale fibroso.

Per gli obiettivi dell'acceleratore, gli specialisti trasformano il metallo o la ceramica in un materiale solido ma poroso costituito da migliaia di fili di fibre di diametro inferiore a un micrometro. È meno di un centesimo dello spessore di un capello umano medio, e circa un terzo della tela di un ragno.

Quando il fascio di particelle si scontra con un bersaglio elettrofilato, le fibre non propagheranno alcuna onda. La mancanza di onde potenzialmente dannose per il materiale significa che questi obiettivi possono sopportare un'intensità del raggio molto più elevata.

Invece di una piscina, immagina di saltare in una fossa di palline. La tua collisione interromperà la disposizione delle sfere immediatamente intorno a te, ma lascerà in pace quelle circostanti. Il bersaglio elettrofilato agisce allo stesso modo. Il processo lascia spazio tra ogni fibra, permettendo alle fibre di espandersi uniformemente, evitando l'effetto martello pneumatico.

Sebbene questa nuova tecnologia risolva potenzialmente molti dei problemi con gli obiettivi attuali, ha i suoi ostacoli da superare. Tipicamente, il processo per realizzare un bersaglio elettrofilato richiede giorni, con gli esperti che devono spesso fermarsi per correggere le complicazioni nel modo in cui il materiale si accumula.

Sujit Bidhar, ricercatore post-dottorato al Fermilab, sta cercando di affrontare questi problemi.

Bidhar sta sviluppando e testando metodi che aumentano il numero di punti di spin-off della fibra che si formano contemporaneamente, produrre un bersaglio di nanofibre più spesso, e diminuire la quantità di elettricità necessaria per creare la carica positiva. Questi progressi accelereranno e semplificherebbero il processo.

Mentre sta ancora provando diverse tecniche di elettrofilatura, Bidhar ha già sviluppato un nuovo sistema di elettrofilatura in attesa di brevetto, compreso un nuovo alimentatore.

L'unità di elettrofilatura di Bidhar è più compatta, più leggero, più semplice ed economico rispetto alla maggior parte delle unità convenzionali.

È anche molto più sicuro da usare grazie alla sua potenza di uscita limitata. Gli attuali alimentatori commerciali emettono una quantità di energia elettrica che supera di gran lunga quella necessaria per realizzare obiettivi elettrofilati. L'unità di alimentazione di Bidhar riduce della metà la produzione di energia elettrica e le dimensioni complessive dell'unità, che lo rende anche più sicuro da usare.

A maggio 2018, L'alimentatore di Bidhar ha vinto il TechConnect Innovation Award. Bidhar è incoraggiato da ciò che questa tecnologia significa per la fisica delle particelle e anche per altre industrie.

"Il personale medico sarebbe in grado di utilizzare questo alimentatore per creare medicazioni biodegradabili in luoghi remoti e mobili, senza un'unità ingombrante e ad alta tensione, " ha detto Bidhar.

obiettivi elettrofilati, come l'alimentatore di Bidhar, potrebbe innovare il futuro degli acceleratori di fisica delle particelle, consentendo a esperimenti come DUNE di raggiungere livelli più elevati di intensità del raggio. Questi raggi ad alta intensità aiuteranno gli scienziati a risolvere i misteri eterni dell'astrofisica, fisica nucleare e fisica delle particelle.