Zderzacz elektronów i jonów
Zderzacz elektronów i jonów (EIC) to rodzaj akceleratora cząstek , który jest przeznaczony do zderzania wiązek elektronów i jonów o spolaryzowanym spinie w celu szczegółowego badania właściwości materii jądrowej poprzez głębokie nieelastyczne rozpraszanie . W 2012 roku opublikowano whitepaper, w którym zaproponowano opracowanie i budowę akceleratora EIC, a w 2015 roku Komitet Doradczy ds. przyszłości w fizyce jądrowej w Stanach Zjednoczonych.
W 2020 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych ogłosił, że EIC zostanie zbudowany w ciągu najbliższych dziesięciu lat w Brookhaven National Laboratory (BNL) w Upton w stanie Nowy Jork za szacunkowy koszt od 1,6 do 2,6 miliarda dolarów.
18 września 2020 r. w BNL odbyło się uroczyste przecięcie wstęgi, oficjalnie rozpoczynające rozwój i budowę EIC.
Proponowane projekty
W USA Brookhaven National Laboratory ma zadeklarowany projekt EIC, który ma zostać zbudowany w dekadzie 2020 roku. W Europie CERN ma plany dotyczące LHeC . Istnieją również chińskie i rosyjskie plany dotyczące zderzacza elektronów i jonów.
eRHIC
Projekt koncepcyjny Brookhaven National Laboratory, eRHIC, proponuje unowocześnienie istniejącego relatywistycznego zderzacza ciężkich jonów , który zderza wiązki lekkich i ciężkich jonów, w tym spolaryzowanych protonów, z obiektem spolaryzowanych elektronów. W dniu 9 stycznia 2020 r. Paul Dabbar, podsekretarz Biura Naukowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, ogłosił, że projekt BNL eRHIC został wybrany zamiast projektu koncepcyjnego przedstawionego przez Thomas Jefferson National Accelerator Facility jako projekt przyszłego EIC w Stanach Zjednoczonych. Oprócz wyboru lokalizacji ogłoszono, że BNL EIC nabył CD-0 (potrzeba misji) od Departamentu Energii.
LHeC
LHeC wykorzystałby istniejący akcelerator LHC i dodałby akcelerator elektronów do zderzenia elektronów z hadronami .
Wyzwania techniczne
Polaryzacja
Aby umożliwić zrozumienie spinowej zależności zderzeń elektron-nukleon, zarówno wiązka jonów, jak i wiązka elektronów muszą być spolaryzowane. Osiągnięcie i utrzymanie wysokiego poziomu polaryzacji jest wyzwaniem. Nukleony i elektrony stwarzają różne problemy. Na polaryzację elektronów wpływa promieniowanie synchrotronowe . Powoduje to zarówno samopolaryzację poprzez efekt Sokołowa Ternowa, jak i depolaryzację spowodowaną efektami fluktuacji kwantowych . Pomijając efekty promieniowania synchrotronowego, ruch spinu jest zgodny z równaniem Thomasa BMT .
Osiągnięcie wysokiej jasności
Jasność określa szybkość interakcji między elektronami i nukleonami . Im słabszy jest tryb interakcji, tym większa jasność jest wymagana do osiągnięcia odpowiedniego pomiaru procesu. Jasność jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu rozmiarów wiązek dwóch zderzających się gatunków, co oznacza, że im mniejsza emisyjność wiązek , tym większa jasność. Podczas gdy emitancja wiązki elektronów (dla pierścienia akumulacyjnego) jest określana przez równowagę między tłumieniem a dyfuzją promieniowania synchrotrotronowego, emitancja wiązki jonów jest określana przez początkowo wstrzykniętą wartość. Emitancję wiązki jonów można zmniejszyć różnymi metodami chłodzenia wiązki , takimi jak chłodzenie elektronowe lub chłodzenie stochastyczne . Ponadto należy wziąć pod uwagę efekt rozpraszania wewnątrz wiązki , który jest w dużej mierze efektem ogrzewania.
Cel naukowy
Zderzacz elektron-jon umożliwia badanie podstruktury protonów i neutronów za pomocą wysokoenergetycznego elektronu. Protony i neutrony składają się z kwarków , oddziałujących poprzez oddziaływanie silne, w którym pośredniczą gluony . Ogólną dziedziną obejmującą badanie tych fundamentalnych zjawisk jest fizyka jądrowa , z ogólnie akceptowaną strukturą niskopoziomową chromodynamiki kwantowej , „chromo” wynikającą z faktu, że kwarki są opisane jako posiadające trzy różne możliwe wartości ładunku koloru (czerwony, zielony lub niebieski).
Niektóre z pozostałych tajemnic związanych z jądrami atomowymi obejmują sposób, w jaki właściwości jądrowe, takie jak spin i masa , wyłaniają się z dynamiki składowej niższego poziomu kwarków i gluonów. Sformułowania tych tajemnic, obejmujące projekty badawcze, obejmują kryzys spinu protonu i zagadkę promienia protonu .
Współpraca
Grupa użytkowników Zderzacza Elektronowo-Jonowego:
Finansowanie
W roku 2022 Biuro Nauki w Departamencie Energii poinformowało, że budżet na zderzacz elektronów i jonów wyniesie 30 mln USD, podczas gdy projekt wymagał 120 mln USD, aby osiągnąć określony kamień milowy w 2023 r., co spowodowało, że harmonogram przedbudowy EIC został „rozciągnięty”.
Poprzednie zderzacze elektronowo-jonowe
Jednym ze zderzaczy elektronów i jonów w przeszłości był HERA w Hamburgu w Niemczech. Hera działała od 1992 do 2007 roku i zderzyła elektrony i protony w środku masy o energii 318 GeV.