De wetenschappelijke vragen die kunnen worden beantwoord door een elektronen-ionenversneller (EIC) - een zeer grootschalige deeltjesversneller - zijn van belang voor ons begrip van de atoomkernen waaruit alle zichtbare materie in het universum bestaat, zegt een nieuw rapport van de National Academies of Sciences, Engineering, en geneeskunde. Naast de impact op de nucleaire wetenschap, de vooruitgang die mogelijk wordt gemaakt door een EIC zou verreikende voordelen kunnen hebben voor de door wetenschap en technologie aangedreven economie van het land, evenals voor het behoud van het Amerikaanse leiderschap op het gebied van kernfysica en in versnellertechnologieën.

De National Academies werden door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) gevraagd om het wetenschappelijke belang van een EIC te onderzoeken, evenals de internationale implicaties van het bouwen van binnenlandse EIC-faciliteiten. De commissie die de studie heeft uitgevoerd en het rapport heeft geschreven, concludeerde dat de wetenschap die door een EIC zou kunnen worden aangepakt, overtuigend is en lang ongrijpbare antwoorden zou geven over de aard van materie. Met een EIC kunnen wetenschappers onderzoeken waar quarks en gluonen, de kleine deeltjes waaruit neutronen en protonen bestaan, bevinden zich in protonen en neutronen, hoe ze bewegen, en hoe ze met elkaar omgaan. Terwijl het beroemde Higgs-mechanisme de massa's van de quarks verklaart, het belangrijkste deel van de massa van een proton of neutron komt van zijn gluonen en hun interacties. Cruciale vragen die een EIC zou beantwoorden, zijn onder meer de oorsprong van de massa van atoomkernen, de oorsprong van spin van neutronen en protonen - een fundamentele eigenschap die magnetische resonantie beeldvorming (MRI) mogelijk maakt, hoe gluonen kernen bij elkaar houden, en of er opkomende vormen van materie gemaakt van dichte gluonen bestaan.

Het rapport zegt dat een nieuwe EIC-versnellerfaciliteit meer mogelijkheden zou hebben dan alle eerdere elektronenverstrooiingsmachines in de VS. Europa, en Azië. Hoge energieën en helderheid - de maat voor de snelheid waarmee deeltjesbotsingen optreden - zijn vereist om de benodigde fijne resolutie te bereiken, en om dergelijke intensiteiten en energieniveaus te bereiken, is een botser nodig waar elektronenbundels tegen bundels protonen of zwaardere ionen botsen. Door alle bestaande en voorgestelde acceleratorfaciliteiten over de hele wereld te vergelijken, de commissie concludeerde dat een EIC met hoge energie en helderheid, en sterk gepolariseerde elektronen- en ionenbundels, zou uniek zijn en in staat zijn om ons begrip van zichtbare materie aanzienlijk te vergroten.

"Een EIC zou de meest geavanceerde en uitdagende versneller zijn die momenteel wordt voorgesteld voor constructie in de VS en zou de versnellerwetenschap aanzienlijk vooruithelpen, en meer specifiek botsen wetenschap en technologieën, hier en over de hele wereld, " zei medevoorzitter van de commissie Gordon Baym, Centre for Advanced Study Emeritus hoogleraar, George en Ann Fisher Distinguished Professor of Engineering Emeritus, en onderzoeksprofessor aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "De realisatie van een EIC is absoluut cruciaal voor het behoud van de gezondheid van het gebied van kernfysica in de VS en zou nieuwe gebieden van wetenschappelijk onderzoek openen."

Momenteel, het Brookhaven National Laboratory (BNL) in Long Island, New York, heeft een zware ionenversneller, en het Thomas Jefferson National Accelerator Laboratory (JLab) in Newport News, Virginia, heeft zeer energetische elektronenstralen. Beide laboratoria hebben ontwerpconcepten voor een EIC voorgesteld die gebruik zouden maken van hun reeds beschikbare infrastructuur, expertise, en ervaring. Het verslag, zonder de een boven de ander te bevoordelen, zegt dat profiteren van de bestaande faciliteiten de ontwikkeling van een EIC kosteneffectief zou maken en de bijbehorende risico's die gepaard gaan met het bouwen van een grote versnellerfaciliteit zou verminderen. Hoewel beide laboratoria goed ontwikkelde ontwerpen voor een EIC hebben, beide zouden aanzienlijke O&O vergen om de dwingende wetenschappelijke vragen volledig te beantwoorden. Het rapport stelt dat R&D-investeringen van DOE cruciaal zijn geweest en zullen blijven om ontwerprisico's tijdig te minimaliseren en om de uitstaande uitdagingen op het gebied van versnellers aan te pakken.

De commissie voegde eraan toe dat naast het bevorderen van de nucleaire wetenschap, een EIC zou ook ten goede komen aan andere gebieden, zoals astrofysica, deeltjesfysica, versneller fysica, en theoretische en computationele modellering. Het zou ook een waardevolle rol spelen bij het ondersteunen van het Amerikaanse kernfysische personeelsbestand in de komende decennia. Bovendien, het zou een belangrijke rol spelen bij het breder bevorderen van de technologieën die het resultaat zouden zijn van het onderzoek en de ontwikkeling bij de implementatie en constructie van een EIC in de VS. de VS momenteel, en het bouwen van een dergelijke faciliteit zou het Amerikaanse leiderschap op het gebied van accelerator-collider-wetenschap behouden en tegelijkertijd de natuurwetenschappen ten goede komen.

"De wetenschap die een EIC zou bereiken is gewoon uniek en zou het leiderschap van de VS op het gebied van nucleaire wetenschap en de versnellerwetenschap en -technologie van botsers over de hele wereld verzekeren, " zei medevoorzitter van de commissie Ani Aprahamian, Freimann hoogleraar experimentele kernfysica aan de Universiteit van Notre Dame.