Bob Zwaska, en forskare vid det amerikanska energidepartementets Fermilab, tittade på en tävlande i matlagningsprogrammet Chopped spin sugar till deras efterrätt när han insåg att samma princip kan vara tillämplig på acceleratormål.

Ett av sätten som partikelacceleratorer producerar partiklar är genom att avfyra partikelstrålar mot mål. Dessa mål är stationära, fasta materialblock, såsom grafit eller beryllium. När strålen kolliderar med målet, det producerar sekundära partiklar, såsom pioner, som sönderfaller till tertiära partiklar, såsom neutriner och myoner.

Framtida partikelfysikexperiment begränsas av de mål som för närvarande används i partikelacceleratorer. Det ena är det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, ett banbrytande experiment som arrangeras av Fermilab och utvecklat i samarbete med mer än 170 institutioner världen över. DUNE försöker förstå varför materia finns i universum genom att låsa upp mysterierna med spöklika partiklar som kallas neutriner. För att lösa dessa mysterier, accelerationsstrålen som används av DUNE måste nå en effekt på minst 1,2 megawatt, dubbelt så mycket som nuvarande mål kan hantera.

Kollisionspunkten mellan strålen och målet – ett område som är betydligt mindre än själva målet, varierar mellan storleken på en myra och grafiten i en mekanisk penna – värms snabbt och upprepade gånger till över 500 grader Celsius. Denna värme gör att det lilla området försöker expandera, men, eftersom de för närvarande använda målen är solida, det finns inget utrymme för expansion. Istället, den heta platsen trycker mot det omgivande området om och om igen, som en hammare. Detta har potential att skada målet.

När du dyker ner i en pool, din kollision med vattnet får vågor att skvalpa över ytan. När vågorna når kanten av poolen, de kommer att studsa och korsa över andra vågor, antingen förstöra varandra eller kombinera för att göra en större våg. I en pool, om en våg blir för stor, vattnet kan helt enkelt skvätta över kanten. I ett fast mål, dock, om en våg blir för stor, materialet kommer att spricka.

Vid Fermilab-partikelacceleratorns nuvarande strålintensiteter, det här är inget problem, eftersom mål kan motstå de resulterande vågorna under lång tid. När Fermilab uppgraderar sitt acceleratorkomplex och intensiteten ökar, att uthållighetstiden sjunker drastiskt.

"Över hela världen, det finns en push för maskiner med högre intensitet för att skapa sällsynta partiklar. Dessa mål har ibland varit den enda begränsande faktorn för sådana anläggningars prestanda, " sa Zwaska. "Så, att forska inom ny fysik, vi måste driva på för ny teknik för att möta detta problem."

I uppdrag att komma på ett alternativt mål att använda i kraftfulla acceleratorer, som de som skickar strålen till DUNE, Zwaska föreställde sig ett mål som består av många vändningar för att förhindra våguppbyggnad. Detta slingrande mål skulle också vara starkt och solidt i mikroskalan. Han testade först grafitrep, 3D-tryckta fibrer, och mestadels ihålig, retikulerade fasta ämnen innan han snubblade över konceptet med spunnet socker, vilket ledde honom till elektrospinning.

Föreslog först i början av 1900-talet för att producera tunnare konstsilke, elektrospinning har använts för luftfiltrering i bilar, sårförband och farmaceutiska läkemedel. Som spinnsocker, elektrospinning innebär att man använder ett flytande material för att skapa tunna trådar som så småningom hårdnar till den önskade strukturen. Istället för att värma upp vätskan, elektrospinning applicerar en positiv laddning på den. Laddningen på vätskan skapar en attraktion mellan den och en neutral platta, placerad en bit bort. Denna attraktion sträcker materialet mot plattan, skapa en solid, fibröst material.

För acceleratormål, specialister förvandlar metall eller keramik till ett fast men poröst material som består av tusentals fibersträngar som är mindre än en mikrometer i diameter. Det är mindre än en hundradel av tjockleken på ett genomsnittligt människohår, och ungefär en tredjedel av en spindelväv.

När partikelstrålen kolliderar med ett elektrospunnet mål, fibrerna kommer inte att spridas några vågor. Bristen på potentiellt materialskadande vågor gör att dessa mål kan motstå mycket högre strålintensitet.

Istället för en pool, föreställ dig att du hoppar i en bollgrop. Din kollision kommer att störa arrangemanget av bollarna omedelbart runt dig men lämna de omgivande ifred. Det elektrospunna målet fungerar på samma sätt. Processen lämnar utrymme mellan varje fiber, låta fibrerna expandera jämnt, undvika jack hammer-effekten.

Även om denna nya teknik potentiellt löser många av problemen med nuvarande mål, den har sina egna hinder att övervinna. Vanligtvis, processen att göra ett elektrospunnet mål tar dagar, med experter som ofta måste stanna för att korrigera komplikationer i hur materialet ackumuleras.

Sujit Bidhar, en postdoktor vid Fermilab, försöker ta itu med dessa frågor.

Bidhar utvecklar och testar metoder som ökar antalet fiberavknoppningspunkter som bildas på en gång, producera ett tjockare nanofibermål, och minska mängden elektricitet som behövs för att skapa den positiva laddningen. Dessa framsteg skulle både påskynda och förenkla processen.

Medan han fortfarande provar olika elektrospinningstekniker, Bidhar har redan utvecklat ett nytt patentsökt elektrospinningssystem, inklusive en ny strömförsörjning.

Bidhars elektrospinningsenhet är mer kompakt, mer lätt, enklare och billigare än de flesta konventionella enheter.

Det är också mycket säkrare att använda på grund av dess begränsade uteffekt. Nuvarande kommersiella strömförsörjningar släpper ut en mängd elektrisk kraft som vida överstiger vad som behövs för att göra elektrospunna mål. Bidhars strömförsörjningsenhet minskar eleffekten och den totala enhetens storlek med hälften, vilket också gör det säkrare att använda.

I maj 2018, Bidhars strömförsörjning vann TechConnect Innovation Award. Bidhar uppmuntras av vad denna teknik betyder för partikelfysik och även för andra industrier.

"Medicinsk personal skulle kunna använda denna strömförsörjning för att skapa biologiskt nedbrytbara sårförband på avlägsna och mobila platser, utan en skrymmande och högspänningsenhet, sa Bidhar.

Elektrospunna mål, som Bidhars strömförsörjning, skulle kunna förnya framtiden för partikelfysikacceleratorer, tillåter experiment som DUNE att nå högre nivåer av strålintensitet. Dessa strålar med högre intensitet kommer att hjälpa forskare att lösa astrofysikens bestående mysterier, kärnfysik och partikelfysik.