Terwijl natuurkundigen plannen ontwikkelden voor het bouwen van een elektronen-ionenversneller (EIC) - een kernfysische faciliteit van de volgende generatie die zal worden gebouwd in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie voor kernfysisch onderzoek - onderzochten ze verschillende opties voor het versnellen van de elektronenbundels. een benadering, ontwikkeld door wetenschappers van Brookhaven Lab en Stony Brook University, was om een ​​lineaire versneller voor energieterugwinning (ERL) te gebruiken. De ERL zou de elektronen op de energie brengen die nodig is om de binnenstructuur van protonen en atoomkernen te onderzoeken, en vertragen vervolgens de elektronen en hergebruiken het grootste deel van hun energie. De R&D om de innovatieve ERL te ontwikkelen, kan uiteindelijk een grote impact hebben op een ander gebied van de natuurkunde:hoge-energiedeeltjesfysica, waar de stroombehoefte de energiebesparende eigenschappen bijzonder aantrekkelijk maakt.

"Het stroomverbruik van wetenschappelijke instrumenten voor deeltjesfysica-experimenten is gestaag toegenomen. Om duurzaam onderzoek te doen, natuurkundigen onderzoeken manieren om dat stroomverbruik te verminderen, " zei Thomas Roser, hoofd van de Collider-Accelerator-afdeling van Brookhaven Lab, een van de wetenschappers die de ERL-aanpak ontwikkelde.

In een artikel dat zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurkunde Letters B , de auteurs beschrijven hoe hun innovaties de stroomvereisten van een elektron-positron (e-e+) versneller zouden kunnen temmen - een onderzoeksfaciliteit voor hoge-energiedeeltjesfysica van de volgende generatie die wordt besproken voor mogelijke toekomstige constructie in Europa.

Botsende elektronen en positronen

De deeltjesfysica-gemeenschap bevindt zich in de vroege stadia van de planning voor een mogelijke toekomstige elektron-positron-botser, inclusief het bespreken van verschillende ontwerpen en locaties. In elk van deze opstellingen de faciliteit zou bundels van negatief geladen elektronen (e-) in botsing brengen met hun positief geladen antimaterie-tegenhangers, bekend als positronen (e+), precisiestudies uit te voeren naar de eigenschappen van het Higgs-deeltje. Dat is het deeltje dat in 2012 werd ontdekt bij de Large Hadron Collider (LHC) in Europa en dat verantwoordelijk is voor het verlenen van massa aan de meeste fundamentele deeltjes in het standaardmodel van de deeltjesfysica.

"Meer informatie over de eigenschappen van het Higgs-deeltje en de interacties met andere deeltjes zou wetenschappers helpen het mechanisme achter deze belangrijke basis van hoe ons universum werkt te ontrafelen, en mogelijk discrepanties blootleggen die wijzen op het bestaan ​​van nieuwe deeltjes of 'nieuwe fysica, '", zei Brookhaven-natuurkundige Maria Chamizo-Llatas, een co-auteur op het papier.

Een van de mogelijke ontwerpen is een "opslagring" met een omtrek van 100 kilometer in het Europese CERN-laboratorium (de thuisbasis van de 27 kilometer lange ronde LHC). Stralen van elektronen en positronen zouden continu door de opslagring circuleren en herhaaldelijk botsen om de gewenste gegevens te produceren. Een alternatief ontwerp zou bestaan ​​uit twee grote lineaire versnellers die rechte, frontale smash-ups.

De stroomvereisten voor beide opstellingen naderen honderden megawatts, Roser zei:genoeg energie om honderdduizenden huizen van stroom te voorzien.

In een opbergring, Roser merkte op, veel energie gaat verloren als "synchrotron" straling, een soort energie die wordt uitgestraald door geladen deeltjes als ze van richting veranderen terwijl ze door de cirkel bewegen (stel je voor hoe water van een natte handdoek spuit als je het boven je hoofd ronddraait). "Hoe hoger de energie, hoe groter het synchrotron energieverlies, " zei Roser - en hoe groter de noodzaak om dat verlies goed te maken door meer energie toe te voegen om ervoor te zorgen dat deeltjes botsen.

In een versneller die lineaire versnellers gebruikt, er wordt geen synchrotronstraling uitgezonden. Maar de gebruikte stralen worden weggegooid na een enkele passage door het gaspedaal. Dat betekent dat de bundelenergie, en ook alle bundeldeeltjes, zijn verloren. Er is meer energie nodig om verse deeltjesbundels steeds weer te versnellen.

De natuurkundigen van Brookhaven en Stony Brook zeggen dat hun ERL-componenten voor energieterugwinning en bundelrecycling de belangrijkste problemen van beide alternatieve ontwerpen kunnen oplossen. Zoals beschreven in de nieuwe krant, het zou de elektrische stroom die nodig is om de 100 km lange ringvormige faciliteit waarover in Europa wordt gesproken, te laten werken tot een derde van wat nodig zou zijn zonder een ERL. En, door deeltjesstralen te verfrissen terwijl ze hun energie terugwinnen en hergebruiken, het zou de noodzaak elimineren om balken te dumpen en te vervangen, terwijl single-pass botsingen van dicht opeengepakte deeltjes nog steeds mogelijk zijn voor maximale fysica-impact.

Hergebruik van energie en recycling van balken

De ERL zou worden gemaakt van supergeleidende radiofrequente (SRF) holtes, en fungeren als "een soort perpetuum-mobiel die in de jaren zestig is uitgevonden door Maury Tigner aan de Cornell University, " legde Vladimir Litvinenko uit, een professor in de natuurkunde aan de Stony Brook University met een gezamenlijke aanstelling bij Brookhaven Lab. "Het belangrijkste voordeel van SRF-holtes is dat ze tijdens het gebruik heel weinig energie verbruiken. Ze zijn perfect geschikt om nieuwe deeltjes te versnellen door energie terug te nemen van gebruikte deeltjes, " hij legde uit.

Voor een e-e+ versneller, een multi-pass ERL zou beide sets deeltjes in fasen versnellen naar hogere en hogere energie elke keer dat ze door de SRF lineaire versneller gaan. Na elke versnellingsfase, de deeltjes zouden door een ringvormige tunnel van 100 kilometer terug naar de lineaire versneller ritselen voor de volgende versnelling; elektronen bewegen in de ene richting en positronen gaan de andere kant op. Door de deeltjes rond zo'n groot cirkelvormig pad te laten reizen, wordt de energie die verloren gaat als synchrotronstraling, verminderd.

"Na een botsing met de hoogste energie, zowel elektronen als positronen zouden hun energie teruggeven door door dezelfde versneller te gaan, maar op een vertragende manier, " zei Litvinenko. "Tijdens de vertraging, de energie van de deeltjes wordt opgevangen in de SRF-holten om te worden gebruikt voor het versnellen van de volgende batch deeltjes."

belangrijk, niet alleen de energie, maar ook de deeltjes zelf zouden na de botsingen worden gerecycled. Extra koelcomponenten zouden ervoor zorgen dat de deeltjes stevig opeengepakt blijven om de botsingssnelheden hoog te houden, maar de stroomvereisten relatief laag.

"Door de behoefte aan stroom te temmen en deeltjes in een e-e+-versneller te hergebruiken, ons ontwerp zou wetenschappers in staat stellen om op een duurzame manier baanbrekend onderzoek te doen, ' zei Roser.