Mentre gli acceleratori di particelle possono essere all'avanguardia della scienza, la costruzione e la preparazione di alcuni componenti di acceleratori di particelle è stata a lungo più una forma d'arte, dipendenti da ricette nate per tentativi ed errori. Ora, Ari Deibert Palczewski spera di cambiarlo. Uno scienziato del personale presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia, Palczewski ha ricevuto una sovvenzione del DOE Early Career Research Program per riportare la scienza nella preparazione dell'acceleratore di particelle.

Gli acceleratori di particelle sono macchine di riferimento per i ricercatori che vogliono comprendere i più piccoli frammenti di materia o analizzare la struttura a raggi X di molecole complesse, per le aziende che desiderano disinfettare i dispositivi medici e scansionare le merci ai confini della nostra nazione. L'aumento dell'efficienza dei componenti che alimentano queste macchine potrebbe avvantaggiare un'ampia gamma di applicazioni scientifiche e industriali.

Quando si tratta di costruire componenti migliori per la radiofrequenza superconduttiva, o SRF, acceleratori, come il CEBAF di Jefferson Lab, la saggezza tradizionale ha ritenuto che i componenti più efficienti siano realizzati con il niobio più puro. Quella saggezza è stata capovolta nel 2012, quando due scienziati dello staff del Jefferson Lab hanno involontariamente impiantato atomi di titanio nelle pareti dei componenti dell'acceleratore di niobio con risultati sorprendenti.

"Niobio, Certo, è ciò con cui realizziamo i nostri acceleratori di particelle, " ha spiegato Palczewski. "Gianluigi Ciovati e Pashupati Dhakal hanno scoperto il doping di titanio quando hanno impiantato accidentalmente il titanio in un modo specifico nel niobio, che ha reso il componente niobio molto più efficiente nell'accelerare le particelle".

Poco tempo dopo, gli scienziati del Fermilab hanno fatto una scoperta fortuita simile, ma questa volta aggiungendo atomi di azoto al metallo niobio. Il netto miglioramento delle prestazioni è stato così impressionante che ha creato molto scalpore nella comunità SRF, e Palczewski ei suoi colleghi del Jefferson Lab e del Fermilab hanno iniziato a perfezionare il processo di drogaggio dell'azoto. Il know-how è stato trasferito all'industria, consentendone l'utilizzo nella produzione di componenti per il progetto LCLS-II, un aggiornamento della Linac Coherent Light Source presso lo SLAC National Accelerator Lab del DOE che è attualmente in corso.

Ancora, il metodo migliore per drogare il niobio per prestazioni ottimali rimane un mistero, e trovare la ricetta giusta è stato più un gioco di indovinare

"Chiamiamo queste ricette, perché facciamo qualcosa e poi controlliamo i risultati. Non siamo predittivi al riguardo, " ha detto Palczewski. "La mia borsa di studio è in realtà quella di costruire un modello matematico completo di ciò che sta accadendo nel doping".

Fare quello, Palczewski impiegherà i prossimi anni a sviluppare risultati di riferimento per due diverse ricette di successo che vengono utilizzate per drogare il niobio con l'azoto. Queste ricette variano il tempo in cui il niobio è esposto al gas azoto e per quanto tempo il niobio viene poi riscaldato in una fornace per diffondere le molecole di azoto nella superficie del niobio.

Palczewski utilizzerà le attuali ricette e le loro variazioni incrementali per produrre nuovi campioni che saranno testati sulle prestazioni, in modo che possa sviluppare un modello teorico di come cambiano le prestazioni attese in base ai diversi fattori nelle ricette.

"L'obiettivo è costruire un modello completo di tutto ciò che sta accadendo nella fornace, così come la chimica dopo, e come modifica le proprietà superconduttive. Gireremo un sacco di ricette, quindi tracciare quei punti di prestazione, e quindi sviluppare un modello matematico per adattarsi a ciò che vediamo, " ha spiegato. "E poi la fase successiva è quella di andare in un nuovo posto, dove nessuno l'ha mai fatto prima. Inventeremo una ricetta, inseriscilo nel modello matematico e poi vedi quanto è predittivo il nuovo modello rispetto alla realtà".

In queste prime fasi, Palczewski intende mantenere la ricerca relativamente semplice. Con l'aiuto di uno studente laureato e di un ricercatore post-dottorato finanziato dalla borsa di ricerca, userà una fonte per il metallo niobio e cambierà solo alcuni parametri nella preparazione della cavità. Ma alla fine, vorrebbe rendere il modello più robusto includendo altri fattori, come diverse fonti di niobio, diversi produttori di componenti e ulteriori modifiche alla preparazione.

"Alla fine, Sono uno sperimentatore che vuole essere un fisico teorico. Così, Mi sto incontrando nel mezzo costruendo un set di dati unico che nessun altro ha, e quindi sviluppare un modello adattato basato su dati sperimentali, " ha detto. "Perché il campo ha bisogno di andare oltre la creazione di ricette e verso un vero sviluppo scientifico utilizzando questa tecnologia".