Gli scienziati e gli ingegneri del Fermilab hanno raggiunto un risultato fondamentale in uno sforzo continuo per progettare e costruire compatti, acceleratori di particelle portatili. Il nostro gruppo ha dimostrato con successo un nuovo, modo efficiente per raffreddare i componenti dell'acceleratore superconduttore, riducendo la maggior parte dell'infrastruttura di raffreddamento tradizionale necessaria per questa tecnologia.

L'importanza di questo progresso è evidente se ti capita di passeggiare nel sito del Fermilab. Non puoi davvero perderlo:gli acceleratori di particelle costruiti per la scoperta sono grandi macchine. Si allungano per centinaia di metri, anche chilometri. Richiedono anche infrastrutture grandi e complesse, che ne limita l'uso principalmente ai laboratori di ricerca scientifica.

E ancora, gli acceleratori di particelle sono strumenti molto utili al di fuori dei laboratori di ricerca scientifica. Hanno applicazioni in sicurezza, medicinale, produzione, e strade. E il loro impatto potrebbe essere ancora maggiore se potessimo rendere compatte queste macchine tradizionalmente giganti. Miniaturizzateli. Progetta acceleratori ad alta potenza che possano adattarsi, letteralmente, dentro il retro di un camion.

Al Fermilab, apprezziamo queste sfide pratiche di fisica. E il mese scorso, il nostro team ha raccolto la sfida, raggiungere una pietra miliare nella nostra ricerca per realizzare potenti, acceleratori compatti che hanno un impatto sulla nostra vita quotidiana. Il team principale includeva Ram Dhuley, Michael Geelhoed, Sam Posen e Charles Thangaraj.

Combinando la verve per la praticità con la scienza all'avanguardia, il nostro team ha dimostrato con successo un nuovo, metodo rivoluzionario per raffreddare una cavità di un acceleratore superconduttore senza utilizzare elio liquido, controintuitivo per la maggior parte della scienza degli acceleratori.

Questo nuovo metodo, basato su un'idea del Fermilab brevettata cinque anni fa, utilizza frigoriferi criogenici, o criorefrigeratori, per rimuovere il calore dissipato da una cavità dell'acceleratore superconduttore. Comprimendo ed espandendo il gas elio attraverso uno scambiatore di calore rigenerativo in un ciclo "chiuso", i criorefrigeratori producono il raffreddamento senza far uscire l'elio. Questo funzionamento a ciclo chiuso dei criorefrigeratori rende il nostro sistema molto compatto, più delle apparecchiature standard di raffreddamento ad elio liquido utilizzate dalle tradizionali cavità degli acceleratori.

Le cavità superconduttrici sono componenti cruciali negli acceleratori di particelle, spingendo il fascio di particelle a energie più elevate dandogli una spinta elettromagnetica. Abbiamo usato una cavità di niobio da 650 megahertz, e tutti abbiamo guardato con orgoglio i primi risultati di successo forniti dal nostro nuovo metodo:un gradiente dell'acceleratore di 6,6 milioni di volt per metro. Questo è già sufficiente per le applicazioni che abbiamo in mente, e ancora, sappiamo di poter fare di meglio.

Le cavità superconduttrici utilizzate nei grandi acceleratori sono generalmente raffreddate a circa 2 kelvin, più freddo dei 2,7 kelvin (meno 455 gradi Fahrenheit) dello spazio esterno. Il modo tipico per ottenere ciò è immergere le cavità in elio liquido e pompare sull'elio per abbassarne la pressione, e quindi la sua temperatura. Tutto ciò richiede sistemi criogenici grandi e complessi, un fattore che limita fortemente la portabilità e quindi le potenziali applicazioni degli acceleratori superconduttori in ambienti industriali e non.

Il nostro team ha rotto questa barriera realizzando con successo una tecnica concettualizzata dal fisico del Fermilab Bob Kephart, ora in pensione. La tecnica proposta per rendere pratici gli acceleratori superconduttori 1) rivestendo un sottile strato di un materiale chiamato niobio-stagno all'interno delle cavità di niobio, e 2) raffreddare le cavità rivestite utilizzando criorefrigeratori tramite collegamenti di conduzione che collegano i due. La configurazione della cavità criogenica elimina la necessità di un bagno di liquido criogenico e l'eventuale necessità di un impianto criogenico per ottenere la superconduttività.

La dimostrazione mostra anche come questo metodo potrebbe semplificare gli acceleratori superconduttori e renderli accessibili per esigenze più ampie al di là della scienza di base:pavimentazioni migliori, trattamento delle acque reflue, sterilizzazione del dispositivo medico, e manifattura avanzata.

Applicare le scoperte scientifiche del Fermilab e trasformarle per risolvere sfide al di fuori della scienza fondamentale implica un pensiero imprenditoriale sistematico:identificare un'opportunità e chiedere e rispondere a tutta una serie di domande per convalidare l'opportunità. Un grande valore in tutto questo è convertire l'investimento del DOE nella scienza e nella tecnologia in innovazione che potrebbe consentire l'emergere di nuove industrie.

Al Fermilab, continueremo ad applicare le nostre tecnologie di frontiera per nuove applicazioni oltre la scienza delle scoperte. Questo importante passo avanti è un passo entusiasmante in quella direzione, e continueremo a spingere la busta.