De pleidooi voor een ambitieuze nieuwe deeltjesversneller die in de Verenigde Staten wordt gebouwd, heeft zojuist een grote boost gekregen.

Vandaag, de Nationale Academies van Wetenschappen, Engineering, en Geneeskunde hebben de ontwikkeling van de Electron Ion Collider onderschreven, of EIC. De voorgestelde voorziening, bestaande uit twee elkaar kruisende versnellers, zou bundels van protonen en elektronen die met bijna de lichtsnelheid reizen tegen elkaar slaan. In de nasleep van elke aanrijding, wetenschappers zouden "snapshots" van de innerlijke structuren van de deeltjes moeten zien, net als een CT-scan voor atomen. Van deze afbeeldingen, wetenschappers hopen een multidimensionaal beeld samen te stellen, met ongekende diepte en helderheid, van de quarks en gluonen die protonen en alle zichtbare materie in het heelal met elkaar verbinden.

de EIC, indien gebouwd, zou het gebied van de kwantumchromodynamica aanzienlijk vooruithelpen, die fundamentele vragen in de natuurkunde wil beantwoorden, zoals hoe quarks en gluonen de sterke kracht produceren - de "lijm" die alle materie bij elkaar houdt. Indien gebouwd, de EIC zou de grootste versnellerfaciliteit in de VS zijn en, wereldwijd, de tweede alleen voor de Large Hadron Collider bij CERN. MIT-fysici, waaronder Richard Milner, hoogleraar natuurkunde aan het MIT, zijn vanaf het begin betrokken geweest bij de pleidooien voor de EIC.

MIT News heeft ingecheckt bij Milner, een lid van MIT's Centre for Theoretical Physics en het Laboratory for Nuclear Science, over de noodzaak van een nieuwe deeltjesversneller en de vooruitzichten voor de toekomst.

Vraag:Vertel ons iets over de geschiedenis van dit ontwerp. Wat is er voor nodig geweest om deze nieuwe deeltjesversneller te verdedigen?

A:De ontwikkeling van zowel de wetenschappelijke als de technische case voor de EIC is al ongeveer twee decennia aan de gang. Met de ontwikkeling van kwantumchromodynamica (QCD) in de jaren zeventig door MIT-professor natuurkunde Frank Wilczek en anderen, kernfysici hebben lang geprobeerd de kloof te overbruggen tussen QCD en de succesvolle theorie van kernen op basis van experimenteel waarneembare deeltjes, waarbij de fundamentele bestanddelen de niet-detecteerbare quarks en gluonen zijn.

Een hoogenergetische botser met het vermogen om elektronen met hoge snelheden te laten botsen met het volledige bereik van kernen en om de elektronen en nucleonen te polariseren, werd geïdentificeerd als het essentiële hulpmiddel om deze brug te bouwen. Hoogenergetische elektronenverstrooiing van het proton was hoe quarks experimenteel werden ontdekt bij SLAC in de late jaren zestig (door MIT-faculteit natuurkunde Henry Kendall en Jerome Friedman en collega's), en het is de geaccepteerde techniek om de fundamentele quark- en gluonstructuur van materie direct te onderzoeken.

Een belangrijke eerste impuls voor de EIC kwam van kernfysici van de universitaire gebruikersfaciliteiten aan de Universiteit van Indiana en MIT, evenals van natuurkundigen die de oorsprong van de spin van het proton wilden begrijpen, aan laboratoria en universiteiten in de VS en Europa. Tijdens de laatste drie langetermijnplanningsoefeningen door Amerikaanse kernfysici in 2002, 2007, en 2015, de zaak voor de EIC is gerijpt en versterkt. Na de oefening van 2007, de twee kerncentrales van de VS, namelijk de Relativistic Heavy Ion Collider bij Brookhaven National Laboratory en de Continuous Electron Beam Accelerator Facility bij Jefferson Laboratory, nam een ​​leidende rol bij het coördineren van EIC-activiteiten in de brede Amerikaanse QCD-gemeenschap. Dit leidde in 2012 tot de productie van een beknopte samenvatting van de wetenschapscase, "Electron-Ion Collider:The Next QCD Frontier (de lijm begrijpen die ons allemaal bindt)."

Bij de planning van 2015 werd de EIC vastgesteld als de hoogste prioriteit voor de bouw van nieuwe faciliteiten in de Amerikaanse kernfysica nadat de huidige verplichtingen zijn nagekomen. Dit leidde tot de vorming van een commissie door de Amerikaanse National Academy of Sciences (NAS) om de EIC-wetenschapszaak te beoordelen. De NAS-commissie beraadslaagde ongeveer een jaar en het rapport is deze maand openbaar gemaakt.

Vraag:Geef ons een idee van hoe krachtig deze nieuwe botser zal zijn en wat voor soort nieuwe interacties hij zal produceren. Wat voor soort verschijnselen zal het helpen verklaren?

A:De EIC zal een krachtige en unieke nieuwe versneller zijn die een ongekend inzicht zal bieden in de fundamentele structuur van materie. De elektron-ion-botsingssnelheid bij de EIC zal hoog zijn, meer dan twee ordes van grootte groter dan mogelijk was bij de enige vorige elektron-proton-botser, namelijk HERA, die opereerde in het DESY-laboratorium in Hamburg, Duitsland, van 1992 tot 2007. Met de EIC, natuurkundigen zullen in staat zijn om de virtuele quarks en gluonen die protonen vormen in beeld te brengen, neutronen, en kernen, met ongekende ruimtelijke resolutie en sluitertijd. Een doel is om beelden te verschaffen van de fundamentele structuur van de microkosmos die breed kunnen worden gewaardeerd door de mensheid:om vragen te beantwoorden als, hoe ziet een proton eruit? En hoe ziet een kern eruit?

Er zijn drie centrale wetenschappelijke problemen die kunnen worden aangepakt door een elektron-ionenversneller. Het eerste doel is om in detail de mechanismen binnen QCD te begrijpen waarmee de massa van protonen en neutronen, en dus de massa van alle zichtbare materie in het heelal, is gegenereerd. Het probleem is dat hoewel gluonen geen massa hebben, en quarks zijn bijna massaloos, de protonen en neutronen die ze bevatten zijn zwaar, die het grootste deel van de zichtbare massa van het heelal uitmaken. De totale massa van een nucleon is ongeveer 100 keer groter dan de massa van de verschillende quarks die het bevat.

Het tweede probleem is om de oorsprong van het intrinsieke impulsmoment te begrijpen, of draaien, van nucleonen, een fundamentele eigenschap die ten grondslag ligt aan veel praktische toepassingen, inclusief magnetische resonantie beeldvorming (MRI). Hoe het impulsmoment, zowel intrinsiek als orbitaal, van de interne quarks en gluonen aanleiding geeft tot de bekende nucleon spin wordt niet begrepen. En ten derde, de aard van gluonen in materie - dat wil zeggen, hun regelingen of staten - en de details van hoe ze de zaak bij elkaar houden, is niet goed bekend. Gluonen in materie lijken een beetje op donkere materie in het heelal:ongezien maar spelen een cruciale rol. Een elektron-ion-versneller zou mogelijk nieuwe toestanden onthullen die het gevolg zijn van de dichte pakking van veel gluonen in nucleonen en kernen. Deze kwesties zijn fundamenteel voor ons begrip van de materie in het universum.

V:Welke rol zal MIT in de toekomst spelen in dit project?

een:Op dit moment, meer dan een dozijn faculteitshoofdonderzoeksgroepen van de MIT-afdeling natuurkunde in het Laboratorium voor Nucleaire Wetenschappen die rechtstreeks werken aan het begrijpen van de fundamentele structuur van materie zoals beschreven door QCD. Het is de grootste universitaire groep in de VS die werkt aan QCD. Theoretisch onderzoek is geconcentreerd bij het Centrum voor Theoretische Fysica, en experimentatoren zijn sterk afhankelijk van het Bates Research and Engineering Center voor technische ondersteuning.

MIT-theoretici voeren belangrijke berekeningen uit met behulp van 's werelds krachtigste computers om fundamentele aspecten van QCD te begrijpen. Experimentele natuurkundigen van het MIT voeren experimenten uit in bestaande faciliteiten, zoals BNL, CERN, en Jefferson Laboratorium, om tot nieuwe inzichten te komen en nieuwe technieken te ontwikkelen die op de EIC zullen worden gebruikt. Verder, R&D naar nieuwe gepolariseerde bronnen, detectoren, en er wordt gewerkt aan innovatieve data-acquisitieschema's door MIT-wetenschappers en -ingenieurs. Verwacht wordt dat deze inspanningen zullen toenemen naarmate de realisatie van de EIC dichterbij komt.

Verwacht wordt dat het U.S. Department of Energy Office of Science in de nabije toekomst het officiële proces voor EIC zal starten waarmee de Amerikaanse regering het goedkeurt, fondsen, en bouwt nieuwe, grote wetenschappelijke faciliteiten. Kritische kwesties zijn de selectie van de site voor EIC en de deelname van internationale gebruikers. Er is een EIC-gebruikersgroep gevormd met de deelname van meer dan 700 Ph.D. wetenschappers van meer dan 160 laboratoria en universiteiten over de hele wereld. Als de realisatie van EIC een schema volgt dat vergelijkbaar is met dat van vroegere grote faciliteiten, het zou rond 2030 wetenschap moeten doen. MIT heeft een lange geschiedenis van leiderschap in de Amerikaanse kernfysica en zal een belangrijke rol blijven spelen op weg naar EIC.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.