Även om mycket tid och ansträngning i partikelfysik ägnas åt att hitta sätt att öka energin i vissa experiment, ibland är det ännu viktigare att hitta sätt att säkert, snabbt och enkelt ta bort energi från ett experiment.

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har nyligen utvecklat en ny glidkontaktmekanism med extremt låg friktion som använder kylt vatten för att avlägsna värme från en nyckelkomponent i en nästa generations kolliderare.

"När du tänker på att köra bil, du måste använda friktion för att bromsa dina hjul, "sa Wei Gai, en Argonne-högenergifysiker och ledare för Argonne Wakefield Accelerator-gruppen. "För oss, den viktigaste utmaningen var att hitta ett sätt att ha en bromsliknande kontakt av metallkuddar mot ett höghastighetshjul utan mycket friktion. "

De senaste två åren har Gai och hans kollegor har försökt montera en fungerande prototyp för en nyckelkomponent i den föreslagna framtida International Linear Collider (ILC). Denna apparat, kallas ett "positronmål, "skulle göra det möjligt för forskare att producera positroner, elektronens antimateria -syskonpartikel.

Vid ILC, en 20 till 30 mil lång maskin som övervägs av Japan, forskare skulle kollidera elektroner och positroner med varandra, och de resulterande energiska partikelförstörelserna skulle kunna belysa ett antal olösta frågor inom fysiken som sträcker sig från okända dimensioner till kandidater för mörk materia.

"Prioritet nummer ett för ILC har varit att få en pålitlig källa till polariserade positroner, "Sade Gai. Även om positronerna inte polariseras av målet - det görs i ett separat steg - att ha en pålitlig positronkälla är ett stort steg framåt.

Positroner skapas när en mycket energisk foton - kallad gammastrål - kommer i närheten av en atomkärna. Sedan, i en process som kallas parproduktion, energin i fotonen omvandlas spontant till en elektron och en positron.

"För vissa människor, det verkar som om universum gör något av ingenting, "sade Argonne elingenjör Wanming Liu." Men Einstein visade att energi och massa kan omvandlas till varandra, så så länge den inkommande fotonen har tillräckligt med energi, du kan skapa en positron och en elektron tillsammans. "

Skapa och samla dessa positroner, dock, har inte varit en lätt uppgift. Först, gammastrålningsstrålen som behövs för att skapa positronerna fungerar ungefär som en intensiv och fokuserad ficklampa och kommer i huvudsak att brinna rakt igenom allt som lämnas direkt i dess väg för länge.

För att hantera detta problem, forskarna skapade först ett lättmetallfälg av titan som var ungefär tre fot i diameter och en halv tum tjockt. Den inkommande gammastrålningsstrålen skulle träffa en fläck mot hjulets ytterkant, får det att värmas upp när det genererar positron-elektronpar. Elektronerna och överskott av gammastrålar skulle dumpas ut, medan positronerna skulle skördas genom magnetstyrning.

För att förhindra skador på hjulet från långvarig exponering på en enda plats, forskargruppen utformade ett sätt att snurra hjulet snabbt - i cirka 220 miles i timmen - kontinuerligt ändra platsen där strålen träffade hjulet.

Även om detta löste ett problem vid utformningen av ett positronmål, den verkliga utmaningen innebar att ta bort värmeenergin från hjulet. Eftersom positronerna måste fångas upp och accelereras i ett vakuum och för att den inkommande gammastrålningsstrålen kan brinna genom allt som står i vägen för länge, forskarna behövde driva målet i en ultrahög vakuummiljö. Arbetar i vakuum, dock, menade att de inte kunde släppa ut värme till den omgivande miljön, så de behövde en annan lösning.

Svaret de hittade - ledning - skulle vara bekant för alla som någonsin har känt en annans kalla fötter mitt i natten. Genom att sätta ytan på en kylplatta belagd med ett tunt lager volframdisulfid eller liknande torra smörjmedel direkt i kontakt med det roterande hjulet, forskarna fann att de kunde suga ut värmeenergi ur systemet, förhindra att målet överhettas eller på annat sätt skadas. Kylplattan innehåller en kammare fylld med kyldt vatten som kontinuerligt kan fyllas på från utsidan av den vakuumförslutna apparaten.

"Vårt genombrott var verkligen trefaldigt:att vi kunde hitta ett sätt att generera positronerna, att vi kunde ta bort energi från systemet och att vi kunde använda enheten under en längre tid, "Sa Gai.

Enligt Gai, nästa steg i forskningen innebär att man använder positronmålet kontinuerligt under en period av cirka sju eller åtta månader för att säkerställa att maskinen kan hålla ut under påfrestningarna av en lång experimentperiod. Den slutliga designen slutfördes av Argonne -ingenjören Scott Doran.

"Eftersom ILC representerar en så stor internationell investering, vi måste se till att allt är testat, checkat ut och redo att gå så mycket som möjligt i förväg, "Sa Gai.