Embora muito tempo e esforço na física de partículas sejam dedicados a encontrar maneiras de aumentar a energia de certos experimentos, às vezes é ainda mais importante encontrar maneiras de, com segurança, remova de forma rápida e fácil a energia de um experimento.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram recentemente um novo mecanismo de contato deslizante de ultra-baixa fricção que usa água gelada para remover o calor de um componente-chave de um colisor de próxima geração.

"Quando você pensa em dirigir um carro, você tem que usar o atrito para frear suas rodas, "disse Wei Gai, um físico Argonne de alta energia e líder do grupo Argonne Wakefield Accelerator. "Para nós, o principal desafio era encontrar uma maneira de ter um contato semelhante a um freio de pastilhas de metal contra uma roda em alta velocidade sem muito atrito. "

Nos últimos dois anos, Gai e seus colegas têm tentado montar um protótipo funcional para um componente-chave do futuro proposto International Linear Collider (ILC). Este aparelho, chamado de "alvo pósitron, "permitiria aos cientistas produzir pósitrons, a partícula irmã de antimatéria do elétron.

No ILC, uma máquina de 20 a 30 milhas de comprimento sendo considerada pelo Japão, cientistas colidiriam elétrons e pósitrons uns com os outros, e as aniquilações de partículas energéticas resultantes poderiam lançar luz sobre uma série de questões não resolvidas na física que variam de dimensões desconhecidas a candidatas à matéria escura.

"A prioridade número um para o ILC é obter uma fonte confiável de pósitrons polarizados, "Disse Gai. Embora os pósitrons não sejam polarizados pelo alvo - isso é feito em uma etapa separada - ter uma fonte de pósitrons confiável é um grande passo à frente.

Os pósitrons são criados quando um fóton altamente energético - chamado de raio gama - chega às proximidades de um núcleo atômico. Então, em um processo conhecido como produção de pares, a energia contida no fóton é convertida espontaneamente em um elétron e um pósitron.

"Para algumas pessoas, parece que o universo está fazendo algo do nada, "disse o engenheiro elétrico de Argonne, Wanming Liu." Mas Einstein mostrou que energia e massa podem ser convertidas uma na outra, então, enquanto o fóton que entra tiver energia suficiente, você pode criar um pósitron e um elétron juntos. "

Criando e coletando esses pósitrons, Contudo, não foi uma tarefa fácil. Primeiro, o feixe de raios gama necessário para criar os pósitrons funciona um pouco como uma lanterna intensa e focada e irá essencialmente queimar qualquer coisa deixada diretamente em seu caminho por muito tempo.

Para lidar com este problema, os pesquisadores primeiro criaram uma roda de liga de titânio com aproximadamente um metro de diâmetro e meia polegada de espessura. O feixe de raios gama que se aproxima iria atingir um ponto em direção à borda externa da roda, fazendo com que ele aqueça ao gerar pares pósitron-elétron. Os elétrons e o excesso de raios gama seriam despejados, enquanto os pósitrons seriam colhidos por meio de direção magnética.

Para evitar danos à roda por exposição prolongada em um único ponto, a equipe de pesquisa projetou uma maneira de girar a roda rapidamente - a aproximadamente 220 milhas por hora - mudando continuamente o ponto onde o feixe atingiu a roda.

Embora isso tenha resolvido um problema no projeto de um alvo de pósitron, o verdadeiro desafio envolvia remover a energia térmica da roda. Porque os pósitrons precisam ser capturados e acelerados no vácuo e porque o feixe de raios gama que entra pode queimar qualquer coisa que fique em seu caminho por muito tempo, os pesquisadores precisavam operar o alvo em um ambiente de ultra-alto vácuo. Trabalhando no vácuo, Contudo, significava que eles não podiam dissipar o calor para o ambiente, então eles precisavam de outra solução.

A resposta que encontraram - condução - seria familiar para qualquer pessoa que já sentiu os pés frios de outra pessoa no meio da noite. Ao colocar a superfície de uma almofada de resfriamento revestida com uma fina camada de dissulfeto de tungstênio ou lubrificantes secos semelhantes diretamente em contato com a roda giratória, os pesquisadores descobriram que podiam sugar a energia térmica do sistema, evitando que o alvo superaqueça ou seja danificado de outra forma. A almofada de resfriamento contém uma câmara cheia de água gelada que pode ser continuamente reabastecida de fora do aparelho selado a vácuo.

"Nosso avanço foi realmente triplo:fomos capazes de encontrar uma maneira de gerar os pósitrons, que poderíamos remover a energia do sistema e que pudemos operar o dispositivo por um longo período, "Gai disse.

De acordo com Gai, o próximo estágio da pesquisa envolve operar o alvo de pósitrons continuamente por um período de cerca de sete ou oito meses, a fim de garantir que a máquina possa resistir às tensões de um período prolongado de estudo experimental. O projeto final foi concluído pelo engenheiro da Argonne, Scott Doran.

"Como o ILC representa um grande investimento internacional, precisamos ter certeza de que tudo foi testado, verificado e pronto para começar o máximo possível com antecedência, "Gai disse.