Embora os aceleradores de partículas possam estar na vanguarda da ciência, a construção e preparação de alguns componentes do acelerador de partículas tem sido mais uma forma de arte, dependente de receitas nascidas de tentativa e erro. Agora, Ari Deibert Palczewski espera mudar isso. Um cientista da equipe do Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia, Palczewski recebeu uma bolsa do DOE Early Career Research Program para colocar a ciência de volta na preparação do acelerador de partículas.

Aceleradores de partículas são máquinas indispensáveis ​​para pesquisadores que desejam entender os menores pedaços de matéria ou analisar a estrutura de raios-X de moléculas complexas, para empresas que buscam higienizar dispositivos médicos e escanear cargas nas fronteiras de nosso país. Aumentar a eficiência dos componentes que acionam essas máquinas pode beneficiar uma ampla gama de aplicações científicas e industriais.

Quando se trata de construir melhores componentes para radiofrequência supercondutora, ou SRF, aceleradores, como o próprio CEBAF do Jefferson Lab, A sabedoria tradicional afirma que os componentes mais eficientes são feitos do metal nióbio mais puro. Essa sabedoria foi transformada em sua cabeça em 2012, quando dois cientistas da equipe do Jefferson Lab, acidentalmente, implantaram átomos de titânio nas paredes dos componentes do acelerador de nióbio com resultados surpreendentes.

"Nióbio, claro, é o que fazemos com nossos aceleradores de partículas, "Palczewski explicou." Gianluigi Ciovati e Pashupati Dhakal descobriram a dopagem com titânio quando implantaram acidentalmente titânio de uma forma específica no nióbio, o que tornou o componente de nióbio muito mais eficiente na aceleração de partículas. "

Pouco tempo depois, cientistas do Fermilab fizeram uma descoberta casual semelhante, mas desta vez adicionando átomos de nitrogênio ao metal nióbio. A melhora acentuada no desempenho foi tão impressionante que criou um grande burburinho na comunidade SRF, e Palczewski e seus colegas do Jefferson Lab e do Fermilab começaram a refinar o processo de dopagem com nitrogênio. O know-how foi transferido para a indústria, permitindo que seja usado na produção de componentes para o projeto LCLS-II, uma atualização da fonte de luz coerente Linac no SLAC National Accelerator Lab do DOE que está em andamento.

Ainda, o melhor método para dopar o nióbio para um desempenho ideal permanece um mistério, e encontrar a receita certa tem sido mais um jogo de adivinhação educada

"Chamamos essas receitas, porque fazemos algo e depois verificamos os resultados. Não somos preditivos sobre isso, "Palczewski disse." Minha bolsa é, na verdade, construir um modelo matemático completo do que está acontecendo no doping. "

Fazer isso, Palczewski passará os próximos anos desenvolvendo resultados básicos para duas receitas diferentes de sucesso que estão sendo usadas para dopar nióbio com nitrogênio. Essas receitas variam o tempo que o nióbio é exposto ao gás nitrogênio e por quanto tempo o nióbio é então aquecido em uma fornalha para difundir as moléculas de nitrogênio na superfície do nióbio.

Palczewski usará as receitas atuais e variações incrementais delas para produzir novas amostras que terão seu desempenho testado, para que ele possa desenvolver um modelo teórico de como o desempenho esperado muda com base nos diferentes fatores nas receitas.

“O objetivo é construir um modelo completo de tudo o que está acontecendo na fornalha, bem como a química depois, e como ele modifica as propriedades supercondutoras. Vamos lançar um monte de receitas, em seguida, trace esses pontos de desempenho, e, em seguida, desenvolver um modelo matemático para ajustar o que vemos, "ele explicou." E então a próxima etapa é ir para um novo lugar, onde ninguém nunca fez isso antes. Vamos criar uma receita, insira-o no modelo matemático e, em seguida, veja como o novo modelo é preditivo em comparação com a realidade. "

Nestes estágios iniciais, Palczewski planeja manter a pesquisa relativamente simples. Com a ajuda de um estudante de graduação e de um cientista pesquisador com pós-doutorado financiado pela bolsa de pesquisa, ele usará uma fonte de nióbio metálico e mudará apenas alguns parâmetros na preparação da cavidade. Mas eventualmente, ele gostaria de tornar o modelo mais robusto incluindo outros fatores, como diferentes fontes de nióbio, diferentes fabricantes de componentes e ajustes adicionais de preparação.

"No fim, Sou um experimentalista que quer ser um físico teórico. Então, Estou me reunindo no meio, construindo um conjunto de dados exclusivo que ninguém mais tem, e, em seguida, desenvolver um modelo ajustado baseado em dados experimentais, "ele disse." Porque o campo precisa ir além de fazer receitas e ir para o desenvolvimento científico real usando esta tecnologia. "