Richard Milner diskuterer et nyt amerikansk partikelacceleratorprojekt

Sagen om en ambitiøs ny partikelaccelerator, der skal bygges i USA, har netop fået et stort løft.

I dag, de nationale videnskabsakademier, Ingeniørarbejde, og medicin har godkendt udviklingen af ​​Electron Ion Collider, eller EIC. Den foreslåede facilitet, bestående af to skærende acceleratorer, ville smadre sammen stråler af protoner og elektroner, der rejser med næsten lysets hastighed. I kølvandet på hver kollision, forskere bør se "snapshots" af partiklernes indre strukturer, meget gerne en CT -scanning for atomer. Fra disse billeder, forskere håber at sammensætte et flerdimensionalt billede, med en hidtil uset dybde og klarhed, af kvarkerne og gluonerne, der binder protoner og alt det synlige stof i universet sammen.

EIC, hvis bygget, væsentligt ville fremme kvantekromodynamikområdet, som søger at besvare grundlæggende spørgsmål i fysik, såsom hvordan kvarker og gluoner producerer den stærke kraft - "limen", der holder alt stof sammen. Hvis konstrueret, EIC ville være den største acceleratorfacilitet i USA og, i hele verden, anden kun til Large Hadron Collider på CERN. MIT -fysikere, herunder Richard Milner, professor i fysik ved MIT, har været involveret fra begyndelsen i fremstilling af sagen for EIC.

MIT News tjekkede ind med Milner, medlem af MIT's Center for Teoretisk Fysik og Laboratoriet for Nuklear Videnskab, om behovet for en ny partikelkollider og dens udsigter fremover.

Q:Fortæl os lidt om dette designs historie. Hvad har det krævet for at få tilfældet med denne nye partikelaccelerator?

A:Udviklingen af ​​både den videnskabelige og tekniske sag for EIC har været i gang i omkring to årtier. Med udviklingen af ​​kvantekromodynamik (QCD) i 1970'erne af MIT -fysik professor Frank Wilczek og andre, atomfysikere har længe søgt at bygge bro mellem QCD og den vellykkede teori om kerner baseret på eksperimentelt observerbare partikler, hvor de grundlæggende bestanddele er de uopdagelige kvarker og gluoner.

En højenergikollider med evnen til at kollidere elektroner med hele kerneområdet ved høje hastigheder og få elektronerne og nukleonerne polariseret blev identificeret som det væsentlige redskab til at konstruere denne bro. Højenergispredning af elektroner fra protonen var, hvordan kvarker eksperimentelt blev opdaget ved SLAC i slutningen af ​​1960'erne (af MIT-fysikfakultet Henry Kendall og Jerome Friedman og kolleger), og det er den accepterede teknik til direkte at undersøge den grundlæggende kvark- og gluonstruktur af stof.

Betydelig indledende fremdrift for EIC kom fra atomfysikere ved universitetets brugerfaciliteter ved University of Indiana og MIT samt fra fysikere, der søgte at forstå oprindelsen til protonets spin, på laboratorier og universiteter i USA og Europa. I løbet af de sidste tre langtidsplanlægningsøvelser af amerikanske atomfysikere i 2002, 2007, og 2015, sagen for EIC er modnet og styrket. Efter øvelsen i 2007, de to amerikanske flagskibs nukleare anlæg, nemlig Relativistic Heavy Ion Collider ved Brookhaven National Laboratory og Continuous Electron Beam Accelerator Facility på Jefferson Laboratory, tog en ledende rolle i koordineringen af ​​EIC -aktiviteter på tværs af det brede amerikanske QCD -samfund. Dette førte til produktionen i 2012 af et kortfattet resumé af videnskabssagen, "Electron-Ion Collider:The Next QCD Frontier (Forståelse af limen, der binder os alle)."

Planlægningsøvelsen fra 2015 fastlagde EIC som den højeste prioritet for nybyggeri i amerikansk atomfysik, efter at de nuværende forpligtelser er opfyldt. Dette førte til dannelsen af ​​et udvalg af U.S.National Academy of Sciences (NAS) til vurdering af EIC -videnskabssagen. NAS -udvalget overvejede i cirka et år, og rapporten er offentliggjort i denne måned.

Q:Giv os en idé om, hvor kraftfuld denne nye kollider vil være, og hvilken slags nye interaktioner den vil producere. Hvilken slags fænomener vil det hjælpe at forklare?

A:EIC vil være en kraftfuld og unik ny accelerator, der giver et hidtil uset vindue ind i stofets grundstruktur. Elektron-ion-kollisionshastigheden ved EIC vil være høj, mere end to størrelsesordener større end det var muligt ved den eneste tidligere elektron-proton-kollider, nemlig HERA, som opererede på DESY -laboratoriet i Hamborg, Tyskland, fra 1992 til 2007. Med EIC, fysikere vil kunne forestille sig de virtuelle kvarker og gluoner, der udgør protoner, neutroner, og kerner, med en hidtil uset rumlig opløsning og lukkerhastighed. Et mål er at give billeder af mikrokosmos grundlæggende struktur, der kan værdsættes bredt af menneskeheden:at besvare spørgsmål som, hvordan ser en proton ud? Og hvordan ser en kerne ud?

Der er tre centrale videnskabelige spørgsmål, der kan løses af en elektronionkollider. Det første mål er i detaljer at forstå de mekanismer inden for QCD, hvormed massen af ​​protoner og neutroner, og dermed massen af ​​alt det synlige stof i universet, genereres. Problemet er, at mens gluoner ikke har nogen masse, og kvarker er næsten masseløse, protoner og neutroner, der indeholder dem, er tunge, udgør det meste af universets synlige masse. Den totale masse af et nukleon er cirka 100 gange større end massen af ​​de forskellige kvarker, det indeholder.

Det andet spørgsmål er at forstå oprindelsen til det iboende vinkelmoment, eller spin, af nukleoner, en grundlæggende egenskab, der ligger til grund for mange praktiske anvendelser, herunder magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). Hvordan vinkelmomentet, både iboende såvel som orbital, af de interne kvarker og gluoner giver anledning til, at det kendte nukleonspin ikke forstås. Og for det tredje, gluons karakter i stof - det vil sige deres arrangementer eller tilstande - og detaljerne i, hvordan de holder sagen sammen, er ikke kendt. Gluoner i stof ligner lidt mørkt stof i universet:uset, men spiller en afgørende rolle. En elektron-ion-kollider ville potentielt afsløre nye tilstande som følge af tæt pakning af mange gluoner i nukleoner og kerner. Disse spørgsmål er grundlæggende for vores forståelse af sagen i universet.

Q:Hvilken rolle vil MIT have i dette projekt fremover?

A:På nuværende tidspunkt, mere end et dusin MIT -fysikafdelingsfakultet leder forskergrupper i Laboratory for Nuclear Science, der arbejder direkte med at forstå den grundlæggende struktur af materie som beskrevet af QCD. Det er den største universitetsbaserede gruppe i USA, der arbejder med QCD. Teoretisk forskning er fokuseret på Center for Teoretisk Fysik, og eksperimentelle er stærkt afhængige af Bates Research and Engineering Center for teknisk support.

MIT -teoretikere udfører vigtige beregninger ved hjælp af verdens mest kraftfulde computere for at forstå grundlæggende aspekter af QCD. MIT eksperimentelle fysikere udfører eksperimenter på eksisterende faciliteter, såsom BNL, CERN, og Jefferson Laboratory, at nå til ny indsigt og til at udvikle nye teknikker, der vil blive brugt på EIC. Yderligere, F&U til nye polariserede kilder, detektorer, og innovative dataindsamlingsordninger af MIT-forskere og ingeniører er i gang. Det forventes, at disse bestræbelser vil stige, når realiseringen af ​​EIC nærmer sig.

Det forventes, at US Department of Energy Office of Science i nær fremtid vil iværksætte den officielle proces for EIC, som den amerikanske regering godkender, midler, og bygger nyt, store videnskabelige faciliteter. Kritiske spørgsmål er valg af websted for EIC og deltagelse af internationale brugere. En EIC -brugergruppe er dannet med deltagelse af mere end 700 ph.d. forskere fra over 160 laboratorier og universiteter rundt om i verden. Hvis realiseringen af ​​EIC følger en tidsplan, der kan sammenlignes med den for tidligere store faciliteter, det burde udføre videnskab inden omkring 2030. MIT har en lang historie med at levere lederskab inden for amerikansk atomfysik og vil fortsat spille en væsentlig rolle, når vi fortsætter på vejen til EIC.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.