Электронно-ионный коллайдер
Электронно -ионный коллайдер ( EIC ) — это тип коллайдера -ускорителя частиц , предназначенный для столкновения спин-поляризованных пучков электронов и ионов с целью детального изучения свойств ядерной материи с помощью глубокого неупругого рассеяния . В 2012 году был опубликован технический документ [1] , в котором предлагалось разработать и построить ускоритель EIC, а в 2015 году Консультативный комитет по ядерной науке Министерства энергетики (NSAC) назвал строительство электронно-ионного коллайдера одним из главных приоритетов на ближайшее будущее в ядерной физике в Соединенных Штатах. [2]
В 2020 году Министерство энергетики США объявило, что в течение следующих десяти лет в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) в Аптоне, штат Нью-Йорк , будет построен EIC, предполагаемая стоимость которого составит от 1,6 до 2,6 млрд долларов США. [3]
18 сентября 2020 года в BNL состоялась церемония перерезания ленточки, официально ознаменовавшая начало разработки и строительства EIC. [4]
Предлагаемые проекты
В США Брукхейвенская национальная лаборатория объявила о разработке EIC, который планируется построить в десятилетии 2020 года. В Европе ЦЕРН планирует LHeC . Также есть китайские и российские планы по электрон-ионному коллайдеру.
eRHIC
Концептуальный проект Брукхейвенской национальной лаборатории eRHIC предлагает модернизацию существующего релятивистского коллайдера тяжелых ионов , который сталкивает пучки легких и тяжелых ионов, включая поляризованные протоны, с помощью поляризованной электронной установки. [5] 9 января 2020 года Пол Даббар, заместитель министра науки Министерства энергетики США, объявил , что проект BNL eRHIC был выбран вместо концептуального проекта, предложенного Национальным ускорительным комплексом Томаса Джефферсона, в качестве проекта будущего EIC в Соединенных Штатах. В дополнение к выбору площадки было объявлено, что BNL EIC приобрел CD-0 (необходимость миссии) у Министерства энергетики. [3]
LHeC
LHeC будет использовать существующий ускоритель LHC и добавит ускоритель электронов для столкновения электронов с адронами . [ 6] [7]
Технические проблемы
Поляризация
Чтобы понять спиновую зависимость электрон-нуклонных столкновений, и ионный, и электронный пучки должны быть поляризованы. Достижение и поддержание высоких уровней поляризации является сложной задачей. Нуклоны и электроны создают разные проблемы. На поляризацию электронов влияет синхротронное излучение . Это приводит как к самополяризации через эффект Соколова-Тернова , так и к деполяризации из-за эффектов квантовых флуктуаций . Игнорируя эффекты синхротронного излучения, движение спина следует уравнению Томаса BMT .
Достижение высокой светимости
Светимость определяет скорости взаимодействия электронов и нуклонов. Чем слабее режим взаимодействия, тем большая светимость требуется для достижения адекватного измерения процесса. Светимость обратно пропорциональна произведению размеров пучка двух сталкивающихся видов, что подразумевает, что чем меньше эмиттансы пучков , тем больше светимость. В то время как эмиттанс электронного пучка (для накопительного кольца) определяется равновесием между затуханием и диффузией от синхротронного излучения, эмиттанс для ионного пучка определяется изначально инжектированным значением. Эмиттанс ионного пучка может быть уменьшен с помощью различных методов охлаждения пучка , таких как электронное охлаждение или стохастическое охлаждение . Кроме того, необходимо учитывать эффект внутрипучкового рассеяния , который в значительной степени является эффектом нагрева.
Научная цель
Электрон-ионный коллайдер позволяет исследовать субструктуру протонов и нейтронов с помощью электрона высокой энергии. Протоны и нейтроны состоят из кварков , взаимодействующих посредством сильного взаимодействия, опосредованного глюонами . Общей областью, охватывающей изучение этих фундаментальных явлений, является ядерная физика , с общепринятой структурой низкого уровня — квантовой хромодинамикой , «хромо» возникает из-за того, что кварки описываются как имеющие три различных возможных значения цветового заряда (красный, зеленый или синий).
Некоторые из оставшихся загадок, связанных с атомными ядрами, включают то, как ядерные свойства, такие как спин и масса, возникают из динамики составляющих низшего уровня кварков и глюонов. Формулировки этих загадок, охватывающие исследовательские проекты, включают кризис спина протона и загадку радиуса протона .
Сотрудничество
Группа пользователей электронно-ионного коллайдера состоит из более чем 1400 физиков из более чем 290 лабораторий и университетов из 38 стран мира. [8]
Финансирование
В 2022 году Управление науки Министерства энергетики сообщило, что бюджет электронно-ионного коллайдера составит 30 млн долларов, в то время как для достижения установленного рубежа в 2023 году проекту требовалось 120 млн долларов, в результате чего график предварительного строительства EIC был «растянут». [9]
Предыдущие EIC
Одним из электрон-ионных коллайдеров в прошлом был HERA в Гамбурге , Германия. Hera работал с 1992 по 2007 год и сталкивал электроны и протоны в центре масс с энергией 318 ГэВ.
Ссылки
- ^ А. Аккарди и др., «Электронно-ионный коллайдер: следующий рубеж КХД – понимание клея, который связывает нас всех», 2012.
- ^ «Офис науки» (PDF) .
- ^ ab «Министерство энергетики США выбирает Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения нового крупного ядерно-физического объекта» 2020.
- ^ "Брукхейвен запускает электрон-ионный коллайдер". 21 сентября 2020 г.
- ^ EC Aschenauer et al., «Исследование конструкции eRHIC: электронно-ионный коллайдер в BNL», 2014.
- ^ Абельейра Фернандес, JL; Адольфсен, К.; Хорошо, АН; Аксакал, Х.; Альбасете, JL; Алехин С.; Олпорт, П.; Андреев В.; Эпплби, РБ; Арикан, Э.; Арместо, Н.; Асуэлос, Г.; Бай, М.; Барбер, Д.; Бартельс, Дж.; Бенке, О.; Бер, Дж.; Беляев А.С.; Бен-Цви, И.; Бернард, Н.; Бертолуччи, С.; Беттони, С.; Бисвал, С.; Блюмляйн, Дж.; Бетчер, Х.; Богач, А.; Бракко, К.; Брандт, Г.; Браун, Х.; и др. (2012). «Большой адрон-электронный коллайдер в ЦЕРНе. Отчет о физике и концепциях проектирования машины и детектора». Журнал физики G: Ядерная физика и физика частиц . 39 (7): 075001. arXiv : 1206.2913 . Bibcode : 2012JPhG...39g5001A. doi : 10.1088/0954-3899/39/7/075001. S2CID 52498118.
- ^ «Большой адронный электронный коллайдер в ЦЕРНе».
- ^ «Добро пожаловать! | Группа пользователей электронно-ионного коллайдера».
- ^ Томас, Уилл (7 января 2022 г.). «Программа ядерной физики Министерства энергетики приближается к точке поворота». FYI, Американский институт физики . Получено 15 апреля 2022 г.
