Mentre i fisici sviluppavano piani per la costruzione di un collisore di ioni elettroni (EIC), una struttura di fisica nucleare di prossima generazione da costruire presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare, hanno esplorato varie opzioni per accelerare i fasci di elettroni. Un approccio, sviluppato da scienziati del Brookhaven Lab e della Stony Brook University, era quello di utilizzare un acceleratore lineare per il recupero di energia (ERL). L'ERL porterebbe gli elettroni all'energia necessaria per sondare la struttura interna dei protoni e dei nuclei atomici, e quindi decelerare gli elettroni e riutilizzare la maggior parte della loro energia. La ricerca e sviluppo per sviluppare l'innovativo ERL potrebbe finire per avere un impatto importante in una diversa area della fisica:fisica delle particelle ad alta energia, dove le esigenze di potenza rendono particolarmente interessanti le sue caratteristiche di risparmio energetico.

"Il consumo di energia degli strumenti scientifici per gli esperimenti di fisica delle particelle è aumentato costantemente. Per eseguire ricerche sostenibili, i fisici stanno studiando modi per ridurre quel consumo di energia, " ha detto Thomas Roser, capo del dipartimento Collider-Accelerator di Brookhaven Lab, uno degli scienziati che hanno sviluppato l'approccio ERL.

In un articolo appena pubblicato sulla rivista Lettere di fisica B , gli autori descrivono come le loro innovazioni potrebbero domare i requisiti energetici di un collisore elettrone-positrone (e-e+), una struttura di ricerca sulla fisica delle particelle ad alta energia di prossima generazione in discussione per una possibile futura costruzione in Europa.

Elettroni e positroni in collisione

La comunità della fisica delle particelle è nelle prime fasi della pianificazione di un possibile futuro collisore elettrone-positrone, inclusa la discussione di vari progetti e luoghi. In ciascuna di queste configurazioni, la struttura porterebbe fasci di elettroni caricati negativamente (e-) in collisione con le loro controparti di antimateria caricate positivamente, noti come positroni (e+), condurre studi di precisione sulle proprietà del bosone di Higgs. Questa è la particella scoperta al Large Hadron Collider (LHC) in Europa nel 2012 che è responsabile di impartire massa alle particelle più fondamentali nel modello standard della fisica delle particelle.

"Imparare di più sulle proprietà della particella di Higgs e sulle interazioni con altre particelle aiuterebbe gli scienziati a svelare il meccanismo alla base di questa importante base di come funziona il nostro universo, e possibilmente scoprire discrepanze che indicano l'esistenza di nuove particelle o "nuova fisica, '" ha detto il fisico di Brookhaven Maria Chamizo-Llatas, un coautore sulla carta.

Uno dei possibili progetti è un "anello di stoccaggio" di 100 chilometri di circonferenza situato presso il laboratorio europeo del CERN (sede dell'LHC circolare di 27 chilometri). Fasci di elettroni e positroni circolerebbero continuamente attraverso l'anello di immagazzinamento e colliderebbero ripetutamente per produrre i dati desiderati. Un progetto alternativo consisterebbe in due grandi acceleratori lineari che producono una linea retta, scontri frontali.

I requisiti di alimentazione per entrambe queste configurazioni si avvicinano a centinaia di megawatt, Roser ha detto:energia sufficiente per alimentare centinaia di migliaia di case.

In un anello di stoccaggio, Roser ha notato, molta energia si perde sotto forma di radiazione di "sincrotrone", un tipo di energia emessa da particelle cariche mentre cambiano direzione muovendosi attorno al cerchio (immagina il modo in cui l'acqua spruzza da un asciugamano bagnato se lo fai roteare sopra la testa). "Più alta è l'energia, maggiore è la perdita di energia di sincrotrone, " ha detto Roser, e maggiore è la necessità di compensare tale perdita aggiungendo più energia per mantenere le particelle in collisione.

In un collisore che utilizza acceleratori lineari, non viene emessa radiazione di sincrotrone. Ma i raggi usati vengono scartati dopo un singolo passaggio attraverso l'acceleratore. Ciò significa che l'energia del raggio, e anche tutte le particelle del fascio, sono persi. È necessaria più energia per accelerare i nuovi fasci di particelle più e più volte.

I fisici di Brookhaven e Stony Brook affermano che i loro componenti ERL per il recupero di energia e il riciclaggio del raggio potrebbero risolvere i problemi chiave di entrambi i progetti alternativi. Come descritto nel nuovo documento, ridurrebbe la potenza elettrica necessaria per far funzionare l'impianto a forma di anello di 100 km in discussione in Europa a un terzo di quello che sarebbe richiesto senza un ERL. E, rinfrescando i fasci di particelle recuperando e riutilizzando la loro energia, eliminerebbe la necessità di scaricare e sostituire i raggi pur consentendo collisioni a passaggio singolo di particelle strettamente imballate per il massimo impatto fisico.

Riutilizzare l'energia e riciclare le travi

L'ERL sarebbe costituito da cavità a radiofrequenza superconduttiva (SRF), e agire come "un perpetuum-mobile di qualche tipo inventato negli anni '60 da Maury Tigner alla Cornell University, " ha spiegato Vladimir Litvinenko, un professore di fisica alla Stony Brook University con un appuntamento congiunto al Brookhaven Lab. "Il vantaggio principale delle cavità SRF è che consumano pochissima energia durante il funzionamento. Sono perfettamente adatte per accelerare nuove particelle riprendendo energia dalle particelle usate, " Lui ha spiegato.

Per un collisore e-e+, un ERL multi-pass accelererebbe entrambi i gruppi di particelle in stadi a un'energia sempre maggiore ogni volta che passano attraverso l'acceleratore lineare SRF. Dopo ogni fase di accelerazione, le particelle sfreccerebbero attraverso un tunnel a forma di anello di 100 chilometri fino all'acceleratore lineare per la successiva fase di accelerazione; gli elettroni si muovono in una direzione e i positroni nell'altra. Il fatto che le particelle percorrano un percorso circolare così ampio aiuta a ridurre l'energia persa come radiazione di sincrotrone.

"Dopo essersi scontrati con l'energia superiore, sia gli elettroni che i positroni restituirebbero la loro energia passando attraverso lo stesso acceleratore ma in modo decelerante, " Ha detto Litvinenko. "Durante la decelerazione, l'energia delle particelle viene catturata nelle cavità SRF per essere utilizzata per accelerare il successivo lotto di particelle".

È importante sottolineare che non solo l'energia ma anche le particelle stesse verrebbero riciclate dopo le collisioni. Ulteriori componenti di raffreddamento assicureranno che le particelle rimangano strettamente imballate per mantenere alti i tassi di collisione ma i requisiti di alimentazione relativamente bassi.

"Domando la necessità di energia e riutilizzando le particelle in un collisore e-e+, il nostro design consentirebbe agli scienziati di eseguire ricerche all'avanguardia in modo sostenibile, " disse Roser.