Οι επιστήμονες υποστηρίζουν τον επιταχυντή δισεκατομμυρίων δολαρίων για να κοιτάξουν μέσα τα πρωτόνια και τα νετρόνια
Η επόμενη ονειρική μηχανή για τους πυρηνικούς φυσικούς των ΗΠΑ πήρε μια σημαντική ώθηση σήμερα σε μια έκθεση από τις Εθνικές Ακαδημίες Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής. Η επιτροπή της έκθεσης ενέκρινε ένθερμα την επιστήμη που θα μπορούσε να γίνει με τον προτεινόμενο Επιταχυντή Ηλεκτρονίων-Ιόντων (EIC), έναν επιταχυντή δισεκατομμυρίων δολαρίων που θα ανιχνεύει τα μύχια των πρωτονίων και των νετρονίων. Η έγκριση θα πρέπει να βοηθήσει το Υπουργείο Ενέργειας (DOE) να δικαιολογήσει την κατασκευή του EIC σε ένα από τα δύο εθνικά εργαστήρια που ανταγωνίζονται για τη φιλοξενία του, αν και το έργο πιθανότατα δεν θα λάβει το πράσινο φως για αρκετά χρόνια.
«Βασικά λέμε, «Πρέπει πραγματικά να το κάνεις αυτό», λέει η Ani Aprahamian, πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Notre Dame στο South Bend της Ιντιάνα και συμπρόεδρος της επιτροπής εκθέσεων.
Η εσωτερική δομή του πρωτονίου και του νετρονίου παραμένει μυστηριώδης. Πράγματι, ένα πρωτόνιο αποτελείται από τρία υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, δεσμευμένα από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Στην πραγματικότητα, ένα πρωτόνιο είναι πολύ πιο περίπλοκο. Λόγω των εγγενών αβεβαιοτήτων της κβαντικής μηχανικής, το εσωτερικό του κυλάει με ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ που ξεπροβάλλουν μέσα και έξω από την εικονική ύπαρξη. Γεμίζει επίσης με γκλουόνια, τα κβαντικά σωματίδια που μεταφέρουν την ισχυρή δύναμη. Το χάος είναι τόσο περίπλοκο που ακόμη και οι βασικές ιδιότητες του πρωτονίου παραμένουν ανεξήγητες. Για παράδειγμα, τα τρία κουάρκ του αντιπροσωπεύουν λιγότερο από το 5% της μάζας του, ενώ τα υπόλοιπα προέρχονται με κάποιο τρόπο από την ενέργεια των εικονικών κουάρκ και γκλουονίων.
Ανατινάζοντας μια δέσμη ηλεκτρονίων σε μια δέσμη πρωτονίων ή ιόντων, το EIC θα βοηθούσε στην επίλυση αυτού του μυστηρίου και ενός παράλληλου:πώς το πρωτόνιο παίρνει το σπιν του. Όπως και στην περίπτωση της μάζας, το σπιν του πρωτονίου δεν είναι απλώς το άθροισμα των σπιν των τριών κουάρκ. έχει επίσης άγνωστες συνεισφορές από γκλουόνια και από τα κουάρκ που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο. Τέλος, το EIC θα μπορούσε να ανιχνεύσει τη συμπεριφορά των γκλουονίων για τις λεγόμενες αναδυόμενες ιδιότητες. Για παράδειγμα, ορισμένες θεωρίες προβλέπουν ότι τα γκλουόνια ενός πρωτονίου συνωστίζονται σε ένα μόνο κβαντικό κύμα λίγο σαν φως λέιζερ. Το EIC θα ήταν καλύτερο για τέτοιες μελέτες από μια μηχανή που συνθλίβει πρωτόνια σε πρωτόνια, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας. Αυτό συμβαίνει επειδή το ηλεκτρόνιο είναι ένα απειροελάχιστα μικρό σωματίδιο και παράγει πιο καθαρές, ευκολότερες στην ερμηνεία συγκρούσεις, λέει ο Aprahamian.
Το EIC θα βοηθούσε στη διατήρηση της τεχνογνωσίας των ΗΠΑ στις συγκρουόμενες δέσμες, λέει ο Gordon Baym, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Ουρμπάνα και συμπρόεδρος της επιτροπής εκθέσεων. «Είναι ο μόνος επιταχυντής στις ΗΠΑ που εξετάζεται για τα επόμενα 50 περίπου χρόνια», λέει. Τώρα, οι Ηνωμένες Πολιτείες διαθέτουν μόνο τον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Άπτον της Νέας Υόρκης, το οποίο ολοκληρώθηκε το 1999. Η Ευρώπη διαθέτει τον νεότερο LHC και η Ιαπωνία χρησιμοποιεί τον πρόσφατα αναβαθμισμένο επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων SuperKEKB στο Tsukuba.
Οι φυσικοί σε δύο εργαστήρια DOE προτείνουν τη συναρμολόγηση του EIC με διαφορετικούς τρόπους. Στο Brookhaven, το RHIC συνθλίβει βαρείς πυρήνες όπως ο χρυσός για να τους λιώσει και να δημιουργήσει μια σούπα που ονομάζεται πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, το υλικό που γέμισε το σύμπαν αμέσως μετά τη μεγάλη έκρηξη. Οι φυσικοί του Brookhaven θέλουν τελικά να προσθέσουν έναν επιταχυντή ηλεκτρονίων για να μετατρέψουν το RHIC σε EIC.
Ωστόσο, η Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson (Jefferson Lab) στο Newport News της Βιρτζίνια, αναβάθμισε πρόσφατα την Εγκατάσταση Συνεχούς Επιταχυντή Δέσμης Ηλεκτρονίων (CEBAF), η οποία εκτοξεύει ηλεκτρόνια σε σταθερούς στόχους για τη μελέτη πρωτονίων, νετρονίων και πυρήνων. Οι ερευνητές του Jefferson Lab ελπίζουν να προσθέσουν έναν επιταχυντή ιόντων σε αυτό για να φτιάξουν το EIC. Το Jefferson Lab είναι μια μικρότερη εγκατάσταση που εστιάζει πιο στενά στην πυρηνική φυσική από το Brookhaven και η μακροπρόθεσμη επιβίωσή της θα μπορούσε να εξαρτηθεί από την προσγείωση του EIC.
Η έκθεση αποφεύγει τη σύγκριση των προτάσεων των δύο εργαστηρίων, αλλά προσφέρει στους υπαλλήλους του DOE μια επιστημονική υπόθεση για το EIC. Ωστόσο, εκτός από τη λειτουργία του RHIC και του CEBAF, το γραφείο πυρηνικής φυσικής της DOE 684 εκατομμυρίων δολαρίων κατασκευάζει επίσης την εγκατάσταση για σπάνιες δέσμες ισοτόπων 730 εκατομμυρίων δολαρίων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν στο East Lansing, η οποία θα δημιουργήσει εξωτικούς πυρήνες με την ολοκλήρωση το 2020. Δεδομένου του κόστους λειτουργώντας αυτές τις εγκαταστάσεις, το DOE πιθανότατα δεν μπορεί να αντέξει οικονομικά το EIC σύντομα, σημειώνει ο Donald Geesaman, πυρηνικός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Lemont του Ιλινόις και πρώην πρόεδρος της Συμβουλευτικής Επιτροπής Πυρηνικής Επιστήμης του DOE.
Περισσότερος χρόνος μπορεί να είναι ευπρόσδεκτος, ούτως ή άλλως, καθώς οι προτάσεις Brookhaven και Jefferson Lab δεν μπορούν ακόμη να ικανοποιήσουν τις βασικές τεχνικές απαιτήσεις. Από το 1992 έως το 2007, φυσικοί στη Γερμανία έτρεξαν τον Επιταχυντή Δακτυλίου Αδρονίων-Ηλεκτρονίων (HERA), ο οποίος επίσης συγκρούστηκε με ηλεκτρόνια και πρωτόνια και αποκάλυψε το γλουόνιο. Το EIC θα λειτουργεί με χαμηλότερη ενέργεια από το HERA, αλλά για να επιτύχει τους στόχους του, θα πρέπει να δημιουργήσει συγκρούσεις με ρυθμό 100 έως 1000 φορές υψηλότερο με δέσμες ηλεκτρονίων και πρωτονίων υψηλής πόλωσης.
Προς το παρόν, οι επιστήμονες του Brookhaven και του Jefferson Lab συνεργάζονται στην Ε&Α αντί να ανταγωνίζονται. «Ήταν πολύ συναρπαστικό να βλέπεις την κοινότητα να αυτοσυγκεντρώνεται», λέει ο διευθυντής του Jefferson Lab Stuart Henderson. Ο διευθυντής του Brookhaven, Doon Gibbs, λέει, "Ο άμεσος στόχος είναι να συνεχίσουμε να περπατάμε στο δρόμο μαζί και με τα δύο εργαστήρια στο lockstep." Αν όλα πάνε καλά, ωστόσο, οι φιλοδοξίες των δύο εργαστηρίων θα συγκρουστούν τελικά.
