Il caso per un nuovo ambizioso acceleratore di particelle da costruire negli Stati Uniti ha appena ricevuto un grande impulso.

Oggi, le Accademie Nazionali delle Scienze, Ingegneria, e Medicina hanno approvato lo sviluppo dell'Electron Ion Collider, o EIC. La struttura proposta, costituito da due acceleratori che si intersecano, frantumerebbe insieme fasci di protoni ed elettroni che viaggiano quasi alla velocità della luce. All'indomani di ogni collisione, gli scienziati dovrebbero vedere "istantanee" delle strutture interne delle particelle, molto simile a una TAC per gli atomi. Da queste immagini, gli scienziati sperano di mettere insieme un quadro multidimensionale, con profondità e chiarezza senza precedenti, dei quark e dei gluoni che legano insieme i protoni e tutta la materia visibile dell'universo.

L'EIC, se costruito, farebbe avanzare significativamente il campo della cromodinamica quantistica, che cerca di rispondere a domande fondamentali in fisica, come il modo in cui quark e gluoni producono la forza forte, la "colla" che tiene insieme tutta la materia. Se costruito, l'EIC sarebbe il più grande impianto di accelerazione negli Stati Uniti e, In tutto il mondo, secondo solo al Large Hadron Collider del CERN. fisici del MIT, compreso Richard Milner, professore di fisica al MIT, sono stati coinvolti fin dall'inizio nel sostenere la causa dell'EIC.

Il MIT News ha fatto il check-in con Milner, un membro del Centro di Fisica Teorica del MIT e del Laboratorio di Scienze Nucleari, sulla necessità di un nuovo collisore di particelle e sulle sue prospettive future.

D:Raccontaci un po' della storia di questo design. Cosa è servito per sostenere il caso di questo nuovo acceleratore di particelle?

R:Lo sviluppo sia del caso scientifico che tecnico per l'EIC è in corso da circa due decenni. Con lo sviluppo della cromodinamica quantistica (QCD) negli anni '70 da parte del professore di fisica del MIT Frank Wilczek e altri, i fisici nucleari hanno cercato a lungo di colmare il divario tra QCD e la teoria di successo dei nuclei basata su particelle osservabili sperimentalmente, dove i costituenti fondamentali sono i quark e i gluoni non rilevabili.

Un collisore ad alta energia con la capacità di far collidere gli elettroni con l'intera gamma di nuclei ad alte velocità e di avere gli elettroni ei nucleoni polarizzati è stato identificato come lo strumento essenziale per costruire questo ponte. Lo scattering di elettroni ad alta energia dal protone è stato il modo in cui i quark sono stati scoperti sperimentalmente allo SLAC alla fine degli anni '60 (dalla facoltà di fisica del MIT Henry Kendall e Jerome Friedman e colleghi), ed è la tecnica accettata per sondare direttamente la struttura fondamentale di quark e gluoni della materia.

Un impulso iniziale significativo per l'EIC è venuto dai fisici nucleari delle strutture per gli utenti dell'università dell'Università dell'Indiana e del MIT, nonché dai fisici che cercavano di capire l'origine dello spin del protone, presso laboratori e università negli Stati Uniti e in Europa. Negli ultimi tre esercizi di pianificazione a lungo termine dei fisici nucleari statunitensi nel 2002, 2007, e 2015, la causa dell'EIC è maturata e rafforzata. Dopo l'esercizio 2007, i due principali impianti nucleari statunitensi, vale a dire il Relativistic Heavy Ion Collider presso il Brookhaven National Laboratory e il Continuous Electron Beam Accelerator Facility presso il Jefferson Laboratory, ha assunto un ruolo di leadership nel coordinare le attività dell'EIC nell'ampia comunità QCD degli Stati Uniti. Ciò ha portato alla produzione nel 2012 di un succinto riassunto del caso scientifico, "Electron-Ion Collider:The Next QCD Frontier (Capire la colla che ci lega tutti)."

L'esercizio di pianificazione 2015 ha stabilito l'EIC come la massima priorità per la costruzione di nuovi impianti nella fisica nucleare degli Stati Uniti dopo che gli impegni attuali sono stati rispettati. Ciò ha portato alla formazione di un comitato della National Academy of Sciences (NAS) degli Stati Uniti per valutare il caso scientifico dell'EIC. Il comitato NAS ha deliberato per circa un anno e il rapporto è stato rilasciato pubblicamente questo mese.

D:Dacci un'idea di quanto sarà potente questo nuovo collisore e che tipo di nuove interazioni produrrà. Quali tipi di fenomeni aiuterà a spiegare?

R:L'EIC sarà un nuovo potente e unico acceleratore che offrirà una finestra senza precedenti sulla struttura fondamentale della materia. Il tasso di collisione elettrone-ione all'EIC sarà alto, più di due ordini di grandezza maggiore di quanto fosse possibile con l'unico precedente collisore elettrone-protone, vale a dire HERA, che ha operato presso il laboratorio DESY di Amburgo, Germania, dal 1992 al 2007. Con l'EIC, i fisici saranno in grado di visualizzare i quark virtuali e i gluoni che compongono i protoni, neutroni, e nuclei, con una risoluzione spaziale e una velocità dell'otturatore senza precedenti. Un obiettivo è fornire immagini della struttura fondamentale del microcosmo che possono essere ampiamente apprezzate dall'umanità:rispondere a domande come, che aspetto ha un protone? E che aspetto ha un nucleo?

Ci sono tre problemi scientifici centrali che possono essere affrontati da un collisore elettrone-ione. Il primo obiettivo è comprendere in dettaglio i meccanismi all'interno della QCD mediante i quali la massa di protoni e neutroni, e quindi la massa di tutta la materia visibile nell'universo, è generato. Il problema è che mentre i gluoni non hanno massa, e i quark sono quasi privi di massa, i protoni e i neutroni che li contengono sono pesanti, che costituiscono la maggior parte della massa visibile dell'universo. La massa totale di un nucleone è circa 100 volte maggiore della massa dei vari quark che contiene.

Il secondo problema è capire l'origine del momento angolare intrinseco, o girare, di nucleoni, una proprietà fondamentale che sta alla base di molte applicazioni pratiche, compresa la risonanza magnetica (MRI). Come il momento angolare, sia intrinseco che orbitale, dei quark interni e dei gluoni dà origine al noto spin del nucleone non compreso. E terzo, la natura dei gluoni nella materia, cioè le loro disposizioni o stati e i dettagli di come tengono insieme la materia, non è ben noto. I gluoni nella materia sono un po' come la materia oscura nell'universo:invisibili ma giocano un ruolo cruciale. Un collisore elettrone-ione potrebbe rivelare nuovi stati risultanti dall'impaccamento ravvicinato di molti gluoni all'interno di nucleoni e nuclei. Questi problemi sono fondamentali per la nostra comprensione della materia nell'universo.

D:Che ruolo avrà il MIT in questo progetto in futuro?

R:Al momento, più di una dozzina di docenti del dipartimento di fisica del MIT guidano gruppi di ricerca nel Laboratorio di scienze nucleari che lavorano direttamente sulla comprensione della struttura fondamentale della materia descritta da QCD. È il più grande gruppo universitario negli Stati Uniti che lavora su QCD. La ricerca teorica è focalizzata presso il Centro di Fisica Teorica, e gli sperimentatori fanno molto affidamento sul Bates Research and Engineering Center per il supporto tecnico.

I teorici del MIT stanno effettuando importanti calcoli utilizzando i computer più potenti del mondo per comprendere gli aspetti fondamentali della QCD. I fisici sperimentali del MIT stanno conducendo esperimenti nelle strutture esistenti, come BNL, CERN, e Laboratorio Jefferson, raggiungere nuove conoscenze e sviluppare nuove tecniche che verranno utilizzate presso l'EIC. Ulteriore, R&S in nuove fonti polarizzate, rilevatori, e sono in corso schemi innovativi di acquisizione dei dati da parte di scienziati e ingegneri del MIT. Si prevede che questi sforzi aumenteranno con l'avvicinarsi della realizzazione dell'EIC.

Si prevede che l'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti avvierà nel prossimo futuro il processo ufficiale per l'EIC mediante il quale il governo degli Stati Uniti approva, fondi, e costruisce nuovo, grandi strutture scientifiche. Le criticità sono la selezione del sito per EIC e la partecipazione degli utenti internazionali. Si è formato un gruppo di utenti EIC con la partecipazione di oltre 700 dottorandi. scienziati provenienti da oltre 160 laboratori e università di tutto il mondo. Se la realizzazione di EIC segue una tempistica paragonabile a quella dei grandi impianti del passato, dovrebbe fare scienza entro il 2030 circa. Il MIT ha una lunga storia di leadership nella fisica nucleare degli Stati Uniti e continuerà a svolgere un ruolo significativo mentre procediamo lungo il percorso verso l'EIC.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.