En indenlandsk elektronionkollider ville låse op for videnskabelige mysterier om atomkerner:rapport

De videnskabelige spørgsmål, der kunne besvares af en elektronionkollider (EIC) - en meget stor partikelaccelerator - er vigtige for at fremme vores forståelse af atomkernerne, der udgør alt synligt stof i universet, siger en ny rapport fra National Academies of Sciences, Ingeniørarbejde, og medicin. Ud over dens indvirkning på atomvidenskab, de fremskridt, der er muliggjort af en EIC, kan have vidtrækkende fordele for landets videnskabs- og teknologidrevne økonomi samt for at opretholde amerikansk lederskab inden for atomfysik og i kollider- og acceleratorteknologier.

De nationale akademier blev bedt af det amerikanske energiministerium (DOE) om at undersøge den videnskabelige betydning af et EIC, samt de internationale konsekvenser af at bygge indenlandske EIC -faciliteter. Udvalget, der gennemførte undersøgelsen og skrev rapporten, konkluderede, at den videnskab, der kunne behandles af en EIC, er overbevisende og ville give langt undvigende svar om sagens natur. En EIC ville give forskere mulighed for at undersøge, hvor kvarker og gluoner, de små partikler, der udgør neutroner og protoner, er placeret inde i protoner og neutroner, hvordan de bevæger sig, og hvordan de interagerer sammen. Mens den berømte Higgs -mekanisme forklarer kvarkernes masser, den mest betydningsfulde del af massen af ​​en proton eller neutron kommer fra dens gluoner og deres interaktioner. Afgørende spørgsmål, som en EIC ville besvare, omfatter oprindelsen af ​​massen af ​​atomkerner, oprindelsen af ​​spin af neutroner og protoner - en grundlæggende egenskab, der muliggør magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), hvordan gluoner holder kerner sammen, og om der findes nye former for stof fremstillet af tætte gluoner.

Rapporten siger, at et nyt EIC -acceleratoranlæg ville have kapaciteter ud over alle tidligere elektronspredningsmaskiner i USA, Europa, og Asien. Høj energi og lysstyrke - målet for den hastighed, hvormed partikelkollisioner opstår - er påkrævet for at opnå den nødvendige fine opløsning, og for at nå sådanne intensiteter og energiniveauer kræver en kollider, hvor elektronstråler smadrer ind i stråler af protoner eller tungere ioner. Sammenligning af alle eksisterende og foreslåede acceleratorfaciliteter rundt om i verden, udvalget konkluderede, at en EIC med høj energi og lysstyrke, og stærkt polariserede elektron- og ionstråler, ville være unik og i stand til i høj grad at fremme vores forståelse af synligt stof.

"En EIC ville være den mest sofistikerede og udfordrende accelerator, der i øjeblikket foreslås til byggeri i USA, og vil betydeligt fremme acceleratorvidenskab, og mere specifikt kolliderer videnskab og teknologier, her og rundt om i verden, "sagde udvalgsformand Gordon Baym, Center for Advanced Study Professor Emeritus, George og Ann Fisher, fremtrædende professor i ingeniørvidenskab, og forskningsprofessor ved University of Illinois i Urbana-Champaign. "Realiseringen af ​​en EIC er helt afgørende for at opretholde sundheden inden for atomfysik i USA og ville åbne nye områder for videnskabelig undersøgelse."

I øjeblikket, Brookhaven National Laboratory (BNL) i Long Island, New York, har en tung ionkollider, og Thomas Jefferson National Accelerator Laboratory (JLab) i Newport News, Virginia, har meget energiske elektronstråler. Begge laboratorier har foreslået designkoncepter for en EIC, der ville bruge deres allerede tilgængelige infrastruktur, ekspertise, og erfaring. Rapporten, uden at favorisere den ene frem for den anden, siger, at udnyttelse af de eksisterende faciliteter ville gøre udviklingen af ​​et EIC omkostningseffektiv og reducere de dermed forbundne risici ved at bygge et stort acceleratoranlæg. Mens begge laboratorier har veludviklede designs til en EIC, begge ville kræve betydelig FoU for fuldt ud at kunne levere de overbevisende videnskabelige spørgsmål. I rapporten hedder det, at investeringer i F &U -investeringer har været og vil fortsat være afgørende for at minimere designrisici rettidigt og for at løse enestående acceleratorudfordringer.

Udvalget tilføjede, at sammen med at fremme atomvidenskab, en EIC ville også gavne andre områder såsom astrofysik, partikelfysik, accelerator fysik, og teoretisk og beregningsmæssig modellering. Det ville også spille en værdifuld rolle i opretholdelsen af ​​den amerikanske atomfysiske arbejdsstyrke i de kommende årtier. I øvrigt, det ville have en væsentlig rolle i at fremme de teknologier, der ville blive resultatet af den forskning og udvikling, der blev foretaget ved implementering og konstruktion af en EIC i USA mere bredt. USA i øjeblikket, og opbygning af en sådan facilitet ville opretholde amerikansk lederskab inden for accelerator collider science samtidig med at det gavner de fysiske videnskaber.

"Den videnskab, som en EIC ville opnå, er simpelthen unik og ville sikre amerikansk lederskab inden for atomvidenskab samt acceleratorvidenskab og teknologi fra kolliderende rundt om i verden, "sagde udvalgets formand Ani Aprahamian, Freimann professor i eksperimentel atomfysik ved University of Notre Dame.