Con l'introduzione di CBETA, l'acceleratore di test ERL di Cornell-Brookhaven, Gli scienziati della Cornell University e del Brookhaven National Laboratory stanno seguendo il concetto di acceleratori di particelle a recupero di energia introdotti per la prima volta dal fisico Maury Tigner alla Cornell più di 50 anni fa.

CBETA testa due tecnologie di risparmio energetico per gli acceleratori:recupero di energia e magneti permanenti. Un linac per il recupero di energia (ERL) come CBETA recupera l'energia di un fascio di elettroni usato invece di scaricarla dopo l'esperimento. L'energia recuperata viene utilizzata per accelerare il successivo fascio di particelle, creando un fascio di elettroni che può essere utilizzato per molte aree di ricerca. I fasci sono accelerati da unità a radiofrequenza superconduttiva (SRF), un'altra tecnologia ad alta efficienza energetica introdotta da Cornell.

Utilizzando magneti permanenti, si risparmia la potenza normalmente necessaria per dirigere il raggio con gli elettromagneti. Mentre i linac per il recupero energetico e i magneti fissi vengono utilizzati altrove, mai prima d'ora un gruppo è stato in grado di guidare contemporaneamente quattro fasci di particelle di diverse energie utilizzando magneti fissi attraverso un ERL.

Immagina quattro auto che viaggiano a velocità diverse intorno a una curva. La fisica coinvolta è diversa per ogni auto:una deve girare eccezionalmente forte a una velocità maggiore rispetto a un'altra che viaggia a una velocità molto più bassa. Ciò vale anche per le particelle con energia diversa nel tubo del fascio. I magneti permanenti con gradienti alternati consentono di guidare ogni particella di energia diversa all'interno della stessa camera larga 120 mm.

Mentre questo metodo ricicla l'energia, crea anche travi che sono molto più potenti:sono più strettamente legate, può produrre radiazioni più luminose e coerenti, possono avere correnti maggiori, e può produrre una maggiore luminosità negli esperimenti con fasci collidenti.

"Il processo ERL è stato inventato alla Cornell University 50 anni fa, e la sua prima dimostrazione in un ERL SRF multigiro mostra la forte e continua tradizione di Cornell in questo campo di ricerca, " disse Georg Hoffstaetter, Cornell professore di fisica e ricercatore principale CBETA.

Combinando componenti di acceleratori da record mondiali costruiti da Cornell con la tecnologia a magneti permanenti sviluppata dal Brookhaven National Laboratory (BNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la collaborazione CBETA mira a rivoluzionare il modo in cui vengono costruiti gli acceleratori.

La missione generale di CBETA è sviluppare un prototipo per eRHIC, un collisore elettrone-ione lungo 2,4 miglia proposto di essere costruito a BNL a Long Island, New York.

Circa due dozzine di scienziati della BNL e del Cornell's Laboratory for Accelerator-based Sciences and Education (CLASSE) stanno collaborando al progetto. Stanno eseguendo i test iniziali e prevedono di completare l'installazione di CBETA entro l'estate 2019. Testeranno e metteranno in servizio il prototipo per eRHIC entro la primavera del 2020.

Più di 30, 000 acceleratori sono in funzione in tutto il mondo. Questo prototipo ERL ha implicazioni di vasta portata per la biologia, chimica e una miriade di altre discipline. Gli ERL non sono solo previsti per i collisori di fisica delle particelle nucleari e elementari, come in eRHIC e LHeC al CERN in Svizzera, ma anche come sorgenti di raggi X coerenti per la ricerca di base, scopi industriali e medici.

"Gli acceleratori lineari esistenti hanno una qualità del raggio superiore rispetto ai grandi acceleratori circolari, " Ha detto Hoffstaeter. "Tuttavia, sono estremamente dispendiosi a causa del fatto che il raggio viene scartato dopo l'uso e possono quindi avere solo una corrente estremamente bassa rispetto agli acceleratori ad anello. Ciò limita la quantità di dati raccolti durante un esperimento. Un ERL come CBETA risolve il problema della qualità del fascio anabbagliante negli anelli e della corrente del fascio anabbagliante negli acceleratori lineari, il tutto risparmiando energia rispetto ai loro predecessori."

I componenti più complessi di CBETA esistono già al Wilson Lab:la sorgente di elettroni DC, l'iniettore superconduttore a radiofrequenza (SRF) linac, il criomodulo principale ERL e l'arresto del raggio ad alta potenza. Sono stati progettati, costruito e commissionato in 10 anni di finanziamenti della National Science Foundation.

Ha detto Karl Smolenski, ingegnere capo per lo sviluppo di Cornell ERL:"Se avremo successo, sarà una grande cosa per la scienza e l'industria. Tanti dipartimenti e scienziati diversi saranno in grado di utilizzare questa tecnologia. Ci porterà anche molto avanti nel mondo competitivo".