Un colisionador de electrones e iones (EIC) es un tipo de colisionador de aceleradores de partículas diseñado para colisionar haces de electrones e iones con espín polarizado , con el fin de estudiar en detalle las propiedades de la materia nuclear mediante una dispersión inelástica profunda . En 2012, se publicó un documento técnico [1] en el que se proponía el desarrollo y la construcción de un acelerador EIC, y en 2015, el Comité Asesor de Ciencias Nucleares del Departamento de Energía (NSAC) nombró la construcción de un colisionador de iones y electrones como una de las principales prioridades. para el futuro cercano en física nuclear en los Estados Unidos. [2]
En 2020, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció que se construirá un EIC durante los próximos diez años en el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) en Upton, Nueva York, a un costo estimado de $ 1.6 a $ 2.6 mil millones. [3]
El 18 de septiembre de 2020, se llevó a cabo una ceremonia de inauguración en BNL, dando inicio oficialmente al desarrollo y construcción del EIC. [4]
Diseños propuestos
En los EE. UU., Brookhaven National Laboratory tiene un diseño declarado para un EIC programado para construirse en la década de 2020. En Europa, el CERN tiene planes para el LHeC . También hay planes chinos y rusos para un colisionador de iones de electrones.
ERICO
El diseño conceptual del Laboratorio Nacional Brookhaven, eRHIC, propone actualizar el Colisionador de Iones Pesados Relativista existente , que colisiona haces de iones ligeros con iones pesados, incluidos protones polarizados, con una instalación de electrones polarizados. [5] El 9 de enero de 2020, Paul Dabbar, subsecretario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. Anunció que el diseño de BNL eRHIC fue seleccionado sobre el diseño conceptual presentado por Thomas Jefferson National Accelerator Facility como el diseño de un futuro EIC en los Estados Unidos. Además de la selección del sitio, se anunció que BNL EIC había adquirido el CD-0 (necesidad de la misión) del Departamento de Energía. [3]
LHeC
El LHeC haría uso del acelerador LHC existente y agregaría un acelerador de electrones para colisionar electrones con los hadrones . [6] [7]
Desafíos técnicos
Polarización
Para permitir la comprensión de la dependencia de espín de las colisiones de nucleones de electrones, tanto el haz de iones como el haz de electrones deben estar polarizados. Lograr y mantener altos niveles de polarización es un desafío. Los nucleones y los electrones plantean problemas diferentes. La polarización de electrones se ve afectada por la radiación de sincrotrón . Esto da lugar tanto a la autopolarización a través del efecto Sokolov Ternov como a la despolarización debido a los efectos de las fluctuaciones cuánticas . Ignorando los efectos de la radiación de sincrotrón, el movimiento del giro sigue la ecuación de Thomas BMT .
Logro de alta luminosidad
La luminosidad determina las tasas de interacciones entre electrones y nucleones. Cuanto más débil es un modo de interacción, mayor luminosidad se requiere para alcanzar una medición adecuada del proceso. La luminosidad es inversamente proporcional al producto de los tamaños de los haces de las dos especies en colisión, lo que implica que cuanto menores son las emisiones de los haces, mayor es la luminosidad. Mientras que la emitancia del haz de electrones (para un anillo de almacenamiento) está determinada por un equilibrio entre la amortiguación y la difusión de la radiación de sincrotrotrón, la emitancia del haz de iones está determinada por el valor inyectado inicialmente. La emitancia del haz de iones se puede reducir mediante varios métodos de enfriamiento del haz , como el enfriamiento de electrones o el enfriamiento estocástico . Además, se debe considerar el efecto de la dispersión intrahaz , que es en gran medida un efecto de calentamiento.
Propósito científico
Un colisionador de iones de electrones permite sondear la subestructura de protones y neutrones a través de un electrón de alta energía. Los protones y neutrones están compuestos de quarks , que interactúan a través de la fuerte interacción mediada por gluones . El dominio general que abarca el estudio de estos fenómenos fundamentales es la física nuclear , siendo el marco de bajo nivel generalmente aceptado la cromodinámica cuántica , el 'cromo' resultante del hecho de que los quarks se describen con tres valores posibles diferentes para la carga de color (rojo, verde o azul).
Algunos de los misterios restantes asociados con los núcleos atómicos incluyen cómo las propiedades nucleares, como el espín y la masa, emergen de la dinámica constituyente de nivel inferior de los quarks y gluones. Las formulaciones de estos misterios, que abarcan proyectos de investigación, incluyen la crisis del espín del protón y el rompecabezas del radio del protón .
Colaboración
Grupo de usuarios Electron Ion Collider: [8]
Colisionadores de iones de electrones anteriores
Un colisionador de iones de electrones en el pasado fue HERA en Hamburgo , Alemania. Hera corrió de 1992 a 2007 y colisionó electrones y protones en un centro de energía de masa de 318 GeV.
Referencias
- ^ A. Accardi et al., "Colisionador de iones de electrones: la próxima frontera de QCD: comprender el pegamento que nos une a todos", 2012.
- ^ "Oficina de la ciencia" (PDF) .
- ^ a b "El Departamento de Energía de EE. UU. selecciona el laboratorio nacional de Brookhaven para albergar una nueva instalación importante de física nuclear" 2020.
- ^ https://cerncourier.com/a/brookhaven-launches-electron-ion-collider/
- ^ EC Aschenauer et al., "ERHIC Design Study: An Electron-Ion Collider en BNL", 2014.
- ^ Abelleira Fernandez, JL; Adolphsen, C .; Akay, AN; Aksakal, H .; Albacete, JL; Alekhin, S .; Allport, P .; Andreev, V .; Appleby, RB; Arikan, E .; Armesto, N .; Azuelos, G .; Bai, M .; Barber, D .; Bartels, J .; Behnke, O .; Behr, J .; Belyaev, AS; Ben-Zvi, I .; Bernard, N .; Bertolucci, S .; Bettoni, S .; Biswal, S .; Blümlein, J .; Böttcher, H .; Bogacz, A .; Bracco, C .; Brandt, G .; Braun, H .; et al. (2012). "Un gran colisionador de electrones de hadrones en el informe del CERN sobre los conceptos de física y diseño de máquinas y detectores". Journal of Physics G: Física nuclear y de partículas . 39 (7): 075001. arXiv : 1206.2913 . Código bibliográfico : 2012JPhG ... 39g5001A . doi : 10.1088 / 0954-3899 / 39/7/075001 .
- ^ "Un gran colisionador de electrones de hadrones en el CERN" .
- ^ "¡Bienvenido! | Grupo de usuarios de colisionador de iones de electrones" .