Fizica particulelor a ales tehnologia superconductibităţii la temperaturi joase pentru International Linear Collider (Acceleratorul Liniar International, ILC). Ce înseamnă „rece” şi de ce fizicienii care se ocupă cu studiul particulelor elementare au coborât temperatura în noul accelerator ?

În o zi fierbinte de august, fizicienii din fizica particulelor au îngheţat. Aceasta este ziua când International Tehnology Recommandation Panel (Panoul Internaţional de Recomandări Tehnologice, ITRP) a anunţat decizia de a folosi tehnologia superconductoare „rece” pentru ceea ce fizicienii speră că va fi următorul mare accelerator de particule, International Linear Collider. Alegerea opţiunii „reci”, în loc de recomandarea opţiunii „calde”, care fusese în fază de dezvoltare, are consecinţe vaste pentru laboratoare, oameni de ştiinţă, industrie şi guverne de pe întregul glob. Ce înseamnă „rece” şi de ce fizicienii care studiază particulele elementare au ales tehnologia superconductibilităţii?

Tehnologia folosită pentru ILC este numită rece deoarece chiar este rece - foarte, foarte rece, foarte aproape de (temperatura de) zero absolut, cât de rece pe cât este posibil. Aceasta este temperatura la care materialele care sunt superconductoare la temperaturi joase îşi manifestă magia specială, conducând curentul electric fără nicio pierdere de energie. Aceasta înseamnă că într-un accelerator superconductor aproape toată energia electrică este folosită pentru accelerarea fasciculului de particule, mai degrabă decât pentru încălzirea structurii acceleratorului. Întrucât electricitatea reprezintă cea mai mare parte a costului necesar funcţionării unui accelerator de particule, ideea economisirii energiei cu superconductoare este îndrăgită de constructorii de acceleratoare. Desigur, coborârea temperaturii până aproape de zero absolut are un preţ, dar costurile de operare sunt totuşi mai mici.

Umplând cavităţi

Constructorul acceleratorului foloseşte un generator de tensiune pentru a umple o structură goală, numită cavitate, cu un câmp electric. Tensiunea electrică a câmpului se schimbă cu o anumită frecvenţă, o frecvenţă radio (sau rf). Particulele încărcate electric simt forţa câmpului electric şi accelerează. Construieşte cavitatea superconductorului şi coboară temperatura până aproape de zero absolut şi voilà:  o „cavitate superconductoare rf.” Înşiră un număr suficient de mare de astfel de cavităţi şi vei avea un accelerator de particule. Aceasta este „tehnologia rece”.

De ce rece? Există şi căi nu chiar aşa de reci pentru a accelera particule. ITRP (Panoul Internaţional de Recomandări Tehnologice) a oferit câteva motive pentru alegerea căii reci. În primul rând, se economiseşte energie. În lungul timp de funcţionare a unui accelerator, aceste economii se adună şi contează. Dar există şi alte avantaje:

- Cavităţile superconductoare au o deschidere largă faţă de fasciculul de particule, prin care acesta trebuie să treacă. Trimiţând particule printr-o deschidere largă, mai degrabă decât printr-una îngustă, se obţine un fascicul mai puţin sensibil la mişcarea pământului. De asemenea, s-ar putea obţine un fascicul mai puternic.

- Tehnologia rece are aplicaţii şi la experimente. Alte acceleratoare o folosesc, sau sunt pe cale de a o folosi. Accelereatorul CEBAF de la Laboratorul Jefferson din Virginia şi Spallation Neutron Source de la Oak Ridge din Tennessee folosesc amândouă tehnologia superconductibilitaţii rf. Departamentul de Energie a propus ca Radioactive Isotope Accelerator să folosească aceeaşi tehnologie. Şi la laboratorul DESY din Germania, unde a fost proiectată pentru prima dată tehnologia rece, fizicienii care lucrează la o nouă sursă superconductoare de lumină vor construi cavităţi de tipul celor ce vor fi folosite la ILC şi le vor testa în acţiune.

- Factorul de risc – pot fi construite cavităţile cu un cost rezonabil, într-un timp rezonabil, şi vor funcţiona? – este mai mic pentru sistemele reci rf decât pentru cele calde.

- Industrializarea celor mai multe piese importante ale unui accelerator rece a început deja.

 Suntem reci cu toţii

Cu toate că oameni de ştiinţă de la laboratoare din Statele Unite şi Asia au făcut contribuţii, colaborarea TESLA de la DESY din Germania a fost liderul în producerea cavităţilor superconductoare rf de gradient înalt (care accelerează foarte mult pe unitatea de lungime). Laboratorul KEK din Japonia şi Stanford Linear Accelerator Center (Acceleratorul Liniar Stanford) s-au concentrat pe alternativa caldă. Acum că alegerea tehnologică este făcută, fizicienii din întreaga lume se vor uni pentru a proiecta şi, speră ei, pentru a construi noul accelerator rece.

„Sunt mândru pentru munca pe care cei de la TESLA au facut-o pentru a aduce tehnologia superconductoare rf în acest punct,” a spus directorul DESY Albrecht Wagner. „Acum este timpul pentru o nouă colaborare între cei mai talentaţi şi experimentaţi oameni de ştiinţă şi ingineri de la laboratoare şi universităţi din toată lumea pentru a aduce tehnologia rece în următorul stadiu şi pentru a proiecta ILC-ul. Pentru a obţine succesul, e nevoie de o colaborare internaţională încă si mai strânsă decât a văzut până acum fizica particulelor”.

Într-adevăr, laboratoarele din SUA, incluzând SLAC, Fermilab, Brookhaven, Cornell, Jefferson, Berkeley şi Lawrence Livermore au început deja să se organizeze atât pentru a continuara procesul de R&D (research and develpment, sau cercetare şi dezvoltare) în strâns parteneriat cu colaboratori din Asia şi Europa, cât şi pentru a începe proiectarea noului accelerator.

“Această recomandare (tehnologia rece) este făcută cu înţelegerea că noi recomandăm o tehnologie, nu un design anume”, subliniază raportul ITRP. „Ne aşteptăm ca proiectul final să fie realizat de o echipă provenind atât din comunităţiloe acceleratoarelor liniare reci şi calde, beneficiind astfel de avantajul experienţei şi profesionalismului ambelor comunităţi”.

Comunitatea fizicienilor din fizica particulelor lucrează acum la alcătuirea unei echipe ce va realiza proiectul global, ce se va afla într-o singură locaţie cu un director internaţional, pentru a conduce şi orchestra multele contribuţii naţionale şi regionale ce se vor aduna pentru proiectarea unui accelerator cu adevărat global. Când este vorba de acceleratoare liniare, recele este noul subiect fierbinte.

Textul din stânga imaginii: Cavitatea superconductoare rf. Fiecare cavitate ILC va avea nouă celule. Forma, mărimea şi geometria celulelor şi cavităţilor optimizează câmpul electric. Cavităţile sunt făcute din niobiu superconductor, care conduce electricitatea fără pierderi de energie. Textele din imagine din stânga sus în sensul invers al acelor de ceasornic: Un generator de tensiune induce un câmp electric în interiorul unei cavităţi rf. Tensiunea aceasta oscilează cu o frecvenţă de 1.3 giga herzi (adică de 1.3 miliarde de ori pe secundă, oscilaţie caracteristică undelor radio). O sursă de electroni injectează electroni în această cavitate în fază cu tensiunea electrică alternativă. Electronii simt o fortă numai în direcţia înaintării lor. Electronii nu simt niciodată o forţă opusă direcţiei înaintării lor.

(Tradus de Denis Trancă din revista "Symmetry", din decembrie 2004 - ianuarie 2005, originalul putând fi găsit aici şi autorul fiiind Judy Jackson.)