Le domande scientifiche a cui potrebbe rispondere un collisore di ioni elettronici (EIC) - un acceleratore di particelle su larga scala - sono significative per far progredire la nostra comprensione dei nuclei atomici che costituiscono tutta la materia visibile nell'universo, afferma un nuovo rapporto delle National Academies of Sciences, Ingegneria, e Medicina. Al di là del suo impatto sulla scienza nucleare, i progressi resi possibili da un EIC potrebbero avere benefici di vasta portata per l'economia guidata dalla scienza e dalla tecnologia della nazione, nonché per mantenere la leadership degli Stati Uniti nella fisica nucleare e nelle tecnologie di collisioni e acceleratori.
Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha chiesto alle National Academies di esaminare l'importanza scientifica di un EIC, nonché le implicazioni internazionali della costruzione di strutture EIC nazionali. Il comitato che ha condotto lo studio e ha scritto il rapporto ha concluso che la scienza che potrebbe essere affrontata da un EIC è convincente e fornirebbe risposte a lungo sfuggente sulla natura della materia. Un EIC consentirebbe agli scienziati di indagare dove quark e gluoni, le minuscole particelle che compongono neutroni e protoni, si trovano all'interno di protoni e neutroni, come si muovono, e come interagiscono tra loro. Mentre il famoso meccanismo di Higgs spiega le masse dei quark, la porzione più significativa della massa di un protone o neutrone deriva dai suoi gluoni e dalle loro interazioni. Le domande cruciali a cui un EIC risponderebbe includono l'origine della massa dei nuclei atomici, l'origine dello spin di neutroni e protoni, una proprietà fondamentale che rende possibile la risonanza magnetica (MRI), come i gluoni tengono insieme i nuclei, e se esistono forme emergenti di materia fatte di gluoni densi.
Il rapporto afferma che un nuovo impianto di accelerazione EIC avrebbe capacità superiori a tutte le precedenti macchine di diffusione di elettroni negli Stati Uniti, Europa, e dell'Asia. Alte energie e luminosità, la misura della velocità con cui si verificano le collisioni di particelle, sono necessarie per ottenere la risoluzione fine necessaria, e per raggiungere tali intensità e livelli di energia è necessario un collisore in cui i fasci di elettroni si scontrano con fasci di protoni o ioni più pesanti. Confrontando tutte le strutture di accelerazione esistenti e proposte in tutto il mondo, il comitato ha concluso che un EIC ad alta energia e luminosità, e fasci di elettroni e ioni altamente polarizzati, sarebbe unico e in grado di migliorare notevolmente la nostra comprensione della materia visibile.
"Un EIC sarebbe l'acceleratore più sofisticato e impegnativo attualmente proposto per la costruzione negli Stati Uniti e farebbe avanzare significativamente la scienza degli acceleratori, e più specificamente la scienza e le tecnologie del collisore, qui e in giro per il mondo, " ha detto il co-presidente del comitato Gordon Baym, Centro per gli studi avanzati Professore emerito, George e Ann Fisher Distinguished Professor di Ingegneria Emerito, e professore di ricerca presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. "La realizzazione di un EIC è assolutamente cruciale per mantenere la salute del campo della fisica nucleare negli Stati Uniti e aprirebbe nuove aree di indagine scientifica".
Attualmente, il Brookhaven National Laboratory (BNL) a Long Island, New York, ha un collisore di ioni pesanti, e il Thomas Jefferson National Accelerator Laboratory (JLab) a Newport News, Virginia, ha fasci di elettroni molto energetici. Entrambi i laboratori hanno proposto concetti di progettazione per un EIC che utilizzerebbe la loro infrastruttura già disponibile, competenza, ed esperienza. Il rapporto, senza privilegiare l'uno rispetto all'altro, afferma che sfruttare le strutture esistenti renderebbe lo sviluppo di un EIC conveniente e ridurrebbe i rischi associati che derivano dalla costruzione di un grande impianto di accelerazione. Sebbene entrambi i laboratori abbiano progetti ben sviluppati per un EIC, entrambi richiederebbero una notevole ricerca e sviluppo per rispondere pienamente alle domande scientifiche avvincenti. Il rapporto afferma che l'investimento in ricerca e sviluppo del DOE è stato e continuerà ad essere cruciale per ridurre al minimo i rischi di progettazione in modo tempestivo e per affrontare le sfide in sospeso degli acceleratori.
Il comitato ha aggiunto che insieme al progresso della scienza nucleare, un EIC avvantaggerebbe anche altri settori come l'astrofisica, fisica delle particelle, fisica dell'acceleratore, e modelli teorici e computazionali. Svolgerebbe anche un ruolo prezioso nel sostenere la forza lavoro della fisica nucleare degli Stati Uniti nei prossimi decenni. Inoltre, avrebbe un ruolo significativo nel far progredire più ampiamente le tecnologie che deriverebbero dalla ricerca e dallo sviluppo intrapresi nell'implementazione e nella costruzione di un EIC negli Stati Uniti Il rapporto sottolinea che un EIC è l'unico collisore ad alta energia pianificato per la costruzione in gli Stati Uniti attualmente, e la costruzione di una struttura del genere manterrebbe la leadership degli Stati Uniti nella scienza dei collisori di acceleratori, a vantaggio delle scienze fisiche.
"La scienza che un EIC otterrebbe è semplicemente unica e garantirebbe la leadership degli Stati Uniti nella scienza nucleare, nonché nella scienza e nella tecnologia degli acceleratori dei collisori in tutto il mondo, " ha detto il co-presidente del comitato Ani Aprahamian, Freimann Professore di Fisica Nucleare Sperimentale presso l'Università di Notre Dame.
