Bob Zwaska, um cientista do Fermilab do Departamento de Energia dos EUA, estava assistindo a um concorrente no programa de culinária Açucar picado para a sobremesa quando percebeu que o mesmo princípio poderia ser aplicável a alvos aceleradores.

Uma das maneiras pelas quais os aceleradores de partículas produzem partículas é disparando feixes de partículas contra os alvos. Esses alvos são estacionários, blocos sólidos de material, como grafite ou berílio. Quando o feixe colide com o alvo, produz partículas secundárias, como píons, que decaem em partículas terciárias, como neutrinos e múons.

Futuros experimentos de física de partículas são limitados pelos alvos atualmente usados ​​em aceleradores de partículas. Um é o experimento internacional Deep Underground Neutrino, um experimento de ponta patrocinado pelo Fermilab e desenvolvido em colaboração com mais de 170 instituições em todo o mundo. DUNE busca entender por que a matéria existe no universo, desvendando os mistérios das partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos. Para resolver esses mistérios, o feixe do acelerador usado pelo DUNE precisa atingir uma potência de pelo menos 1,2 megawatts, duas vezes a quantidade que as metas atuais podem suportar.

O ponto de colisão entre o feixe e o alvo - uma área significativamente menor do que o próprio alvo, variando entre o tamanho de uma formiga e o grafite de uma lapiseira - é rápida e repetidamente aquecida acima de 500 graus Celsius. Este calor faz com que essa pequena área tente se expandir, mas, porque os alvos usados ​​atualmente são sólidos, não há espaço para expansão. Em vez de, o ponto quente empurra contra a área circundante repetidamente, como um martelo de jack. Isso tem o potencial de danificar o alvo.

Quando você mergulha em uma piscina, sua colisão com a água faz com que as ondas se propaguem pela superfície. Quando as ondas alcançam a borda da piscina, eles vão ricochetear e cruzar outras ondas, destruindo um ao outro ou combinando para formar uma onda maior. Em uma piscina, se uma onda ficar muito grande, a água pode simplesmente espirrar na borda. Em um alvo sólido, Contudo, se uma onda ficar muito grande, o material vai rachar.

Nas intensidades de feixe de corrente do acelerador de partículas do Fermilab, isso não é um problema, porque os alvos podem suportar as ondas resultantes por muito tempo. Conforme o Fermilab atualiza seu complexo de acelerador e a intensidade aumenta, esse tempo de resistência cai drasticamente.

"No mundo todo, há um impulso para que máquinas de alta intensidade criem partículas raras. Essas metas às vezes têm sido o único fator limitante no desempenho de tais instalações, "Zwaska disse." Então, para pesquisar áreas da nova física, temos que pressionar por novas tecnologias para enfrentar este problema. "

Com a tarefa de encontrar um alvo alternativo para usar em aceleradores de alta potência, como os que vão enviar feixe para DUNE, Zwaska imaginou um alvo que consiste em muitas voltas e mais voltas para evitar o acúmulo de ondas. Esse alvo sinuoso também seria forte e sólido em microescala. Ele primeiro testou cordas de grafite, Fibras impressas em 3-D, e principalmente oco, sólidos reticulados antes de tropeçar no conceito de açúcar fiado, o que o levou à eletrofiação.

Proposta pela primeira vez no início de 1900 para produzir seda artificial mais fina, a eletrofiação tem sido usada para filtragem de ar em carros, pensos para feridas e fármacos. Como açúcar giratório, eletrofiação envolve o uso de um material liquidificado para criar fios finos que eventualmente endurecem na estrutura desejada. Em vez de aquecer o líquido, a eletrofiação aplica uma carga positiva a ele. A carga no líquido cria uma atração entre ele e uma placa neutra, colocado a alguma distância. Essa atração estica o material em direção à placa, criando um sólido, material fibroso.

Para alvos de acelerador, especialistas transformam metal ou cerâmica em um material sólido, mas poroso, que consiste em milhares de fios de fibra com menos de um micrômetro de diâmetro. Isso é menos de um centésimo da espessura de um cabelo humano médio, e cerca de um terço da teia de uma aranha.

Quando o feixe de partículas colide com um alvo eletrofiado, as fibras não propagam nenhuma onda. A falta de ondas potencialmente prejudiciais ao material significa que esses alvos podem suportar intensidades de feixe muito mais altas.

Em vez de uma piscina, imagine que você pula em uma caixa de bolinhas. Sua colisão interromperá o arranjo das bolas imediatamente ao seu redor, mas deixará as que estão ao seu redor sozinhas. O alvo eletrofiado age da mesma maneira. O processo deixa espaço entre cada fibra, permitindo que as fibras se expandam uniformemente, evitando o efeito do martelo de jack.

Embora esta nova tecnologia resolva potencialmente muitos dos problemas com os objetivos atuais, tem seus próprios obstáculos a superar. Tipicamente, o processo para fazer um alvo de eletrofiação leva dias, com especialistas frequentemente tendo que parar para corrigir complicações na forma como o material se acumula.

Sujit Bidhar, um pesquisador de pós-doutorado no Fermilab, está tentando resolver esses problemas.

Bidhar está desenvolvendo e testando métodos que aumentam o número de pontos de derivação da fibra que se formam ao mesmo tempo, produzir um alvo de nanofibra mais espesso, e diminuir a quantidade de eletricidade necessária para criar a carga positiva. Esses avanços iriam acelerar e simplificar o processo.

Enquanto ele ainda está tentando diferentes técnicas de eletrofiação, Bidhar já desenvolveu um novo sistema de eletrofiação com patente pendente, incluindo uma nova fonte de alimentação.

A unidade de eletrofiação de Bidhar é mais compacta, mais leve, mais simples e mais barato do que a maioria das unidades convencionais.

Também é muito mais seguro de usar devido à sua potência de saída limitada. As atuais fontes de alimentação comerciais liberam uma quantidade de energia elétrica que excede em muito o que é necessário para fazer alvos eletrofiados. A unidade de fonte de alimentação de Bidhar reduz a produção de energia elétrica e o tamanho geral da unidade pela metade, o que também o torna mais seguro de usar.

Em maio de 2018, A fonte de alimentação de Bidhar ganhou o Prêmio de Inovação TechConnect. Bidhar é encorajado pelo que essa tecnologia significa para a física de partículas e também para outras indústrias.

"O pessoal médico seria capaz de usar esta fonte de alimentação para criar curativos biodegradáveis ​​em locais remotos e móveis, sem uma unidade volumosa e de alta tensão, "Bidhar disse.

Alvos eletrofiados, como a fonte de alimentação de Bidhar, poderia inovar o futuro dos aceleradores de física de partículas, permitindo que experimentos como o DUNE alcancem níveis mais altos de intensidade do feixe. Esses feixes de alta intensidade ajudarão os cientistas a resolver os mistérios duradouros da astrofísica, física nuclear e física de partículas.