L'Electron-Ion Collider (EIC) esaminerà la struttura interna della materia nucleare così com'è oggi. Gli elettroni che collidono con gli ioni scambieranno fotoni virtuali con le particelle nucleari per aiutare gli scienziati a "vedere" all'interno delle particelle nucleari. Le collisioni produrranno istantanee 3D di precisione della disposizione interna di quark e gluoni all'interno della materia nucleare ordinaria, come uno scanner combinato TC / MRI per atomi. Gli elettroni possono "rilevare" singoli quark dai protoni che costituiscono i nuclei. Studiare come questi quark si ricombinano per formare particelle composite informerà la nostra comprensione di come la materia visibile di oggi si è evoluta dal QGP studiato al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Credito:Brookhaven National Laboratory
Quando l'Electron Ion Collider ha ricevuto il via libera nel gennaio 2020, è diventato l'unico nuovo grande acceleratore in lavorazione in qualsiasi parte del mondo.
"Tutte le stelle allineate, " disse Elke-Caroline Aschenauer, Scienziato del personale del laboratorio nazionale di Brookhaven e leader nello sviluppo dei piani EIC. "Abbiamo la tecnologia per costruire questo acceleratore e rivelatore di particelle unico per eseguire le misurazioni che, insieme alla teoria sottostante, può per la prima volta fornire risposte a domande fondamentali di vecchia data nella fisica nucleare."
L'EIC non è l'unico progetto Brookhaven pronto a rimodellare la fisica nucleare e delle particelle. I prossimi dati del Relativistic Heavy Ion Collider potrebbero finalmente rilevare l'elusivo effetto magnetico chirale. Nel frattempo, gli acceleratori previsti potrebbero funzionare con energia sostenibile, un drastico allontanamento dalle macchine di oggi.
In una conferenza stampa durante la riunione di aprile dell'APS 2021, i ricercatori discuteranno di come gli acceleratori all'avanguardia potrebbero scontrarsi sia con il consumo di energia che con le nostre ipotesi sulla natura della materia.
Una nuova e potente struttura per la fisica nucleare
"I progressi scientifici dell'EIC ci aiuteranno tutti a capire da dove veniamo e come la materia visibile intorno a noi è composta dai suoi elementi costitutivi elementari, " disse Aschenauer.
Misure sperimentali dell'Effetto Magnetico Chirale (CME). Un'illustrazione del modello di correlazione angolare degli adroni nel piano (x-y) trasversale all'asse z del fascio in una collisione di ioni pesanti. La CME induce un'asimmetria nell'emissione di adroni positivi e negativi lungo l'asse del campo magnetico. Credito:Dmitri E. Kharzeev e Jinfeng Liao / Nature Reviews Physics
L'acceleratore e il rilevatore serviranno come una specie di telecamera, scattare immagini e filmati 3D di elettroni che collidono con protoni e ioni polarizzati. Come uno scanner CT per atomi, l'EIC permetterà agli scienziati di vedere come le particelle di gluoni che trasportano forza tengono insieme i quark, i componenti interni di protoni e neutroni. Offrirà anche approfondimenti sullo spin delle particelle fondamentali.
Aschenauer fornirà aggiornamenti sullo stato del primo anno del progetto EIC, una collaborazione tra BNL e Thomas Jefferson National Accelerator Facility, e una panoramica delle sue apparecchiature sperimentali.
A caccia dell'effetto magnetico chirale
L'EIC si baserà sul Relativistic Heavy Ion Collider, che presto produrrà importanti risultati di per sé.
Nell'estate 2021, l'analisi dei dati si concluderà probabilmente con un esperimento alla ricerca di una prova decisiva dell'effetto magnetico chirale. Questo effetto proposto aiuta a spiegare molte caratteristiche fondamentali del Modello Standard e potrebbe svelare il motivo per cui il nostro universo contiene in modo schiacciante più materia che antimateria, determinante per l'esistenza umana.
Jinfeng Liao, un fisico nucleare teorico presso l'Indiana University Bloomington, condivideranno le previsioni chiave su ciò che l'esperimento potrebbe scoprire.
L'animazione mostra come le diverse particelle di energia si muovono attraverso il campo fisso alternando l'acceleratore a gradiente lineare. Credito:Stephen Brooks
"Le firme, come previsto dal nostro studio teorico, mostrano una chiara promessa di stabilire in modo inequivocabile l'esistenza dell'effetto magnetico chirale nell'esperimento di collisione isobare, " disse Liao.
Liao e colleghi hanno creato uno strumento computazionale personalizzato basato sulla fluidodinamica per simulare le collisioni sperimentali e qualsiasi cambiamento che l'effetto magnetico chirale potrebbe causare.
Mostrano che il nuovo esperimento ha maggiori possibilità di rilevare l'effetto rispetto ai tentativi precedenti, a lungo afflitto da segnali deboli e forte contaminazione di fondo. Le previsioni sono state pubblicate in Lettere di revisione fisica .
Indagare domande subatomiche profonde richiede molto potere.
"I grandi acceleratori di particelle utilizzano una quantità di energia incredibilmente grande, " disse Georg Hoffstaetter, un professore alla Cornell University.
Condividerà i risultati del Cornell-BNL Test Accelerator, o CBETA, il primo al mondo ad accelerare un raggio più volte mentre si alimenta da solo riutilizzando l'energia del raggio. Riduce ulteriormente la richiesta di elettricità con apparecchiature magnetiche e superconduttrici.
L'acceleratore di prova Cornell-BNL. Credito:CLASSE
La tecnologia Energy Recovery Linacs che abilita l'acceleratore di prova potrebbe portare ad acceleratori di particelle più piccoli con correnti del fascio più elevate e un consumo energetico ridotto.
"Le persone possono trarre vantaggio dalle applicazioni industriali di Energy Recovery Linac utilizzando chip per computer migliori, curandosi in centri di radioterapia che guidano i raggi con magneti permanenti, o inalando isotopi medici prodotti da acceleratori, " disse Hoffstaetter.
Basandosi sul successo dell'acceleratore di prova, il suo ricercatore principale e il fisico senior di Brookhaven Dejan Trbojevic presenteranno i progetti per un nuovo collisore di energia verde. Le particelle accelerano lungo le linee del raggio della pista, formato da magneti permanenti di alta qualità che non richiedono l'uso di energia elettrica.
"L'"acceleratore verde" mostra un modo completamente nuovo di accelerare le particelle con un controllo molto stretto del loro movimento e con un intervallo di energia estremamente elevato. Non è mai stato fatto prima, ", ha detto Trbojevic.
Dimostrerà come l'EIC, così come un acceleratore simile in esame al Large Hadron Collider, potrebbe incorporare le caratteristiche di risparmio energetico.
