Energi-genopretning lineær accelerator foreslået til næste generations fysikforskning

Da fysikere udviklede planer for at bygge en elektron-ion-kolliderer (EIC)-en næste generations atomfysikfacilitet, der skal bygges ved det amerikanske energiministeriets Brookhaven National Laboratory for atomfysisk forskning-undersøgte de forskellige muligheder for at accelerere elektronstrålerne. En tilgang, udviklet af forskere ved Brookhaven Lab og Stony Brook University, skulle bruge en lineær accelerator for energiudvinding (ERL). ERL ville bringe elektronerne op til den energi, der er nødvendig for at undersøge den indre struktur af protoner og atomkerner, og derefter bremse elektronerne og genbruge det meste af deres energi. F&U til udvikling af den innovative ERL kan ende med at få stor indflydelse på et andet fysikområde-højenergipartikelfysik, hvor strømbehovet gør dets energibesparende funktioner særligt attraktive.

"Strømforbruget til videnskabelige instrumenter til partikelfysiske eksperimenter er støt steget. For at udføre bæredygtig forskning, fysikere undersøger måder at reducere det strømforbrug, "sagde Thomas Roser, leder af Brookhaven Labs afdeling for kollider-accelerator, en af ​​forskerne, der udvikler ERL -tilgangen.

I et papir, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Fysik bogstaver B , forfatterne beskriver, hvordan deres innovationer kunne tæmme effektbehovet for en elektron-positron (e-e+) kollider-en næste generations højenergipartikelfysik forskningsfacilitet, der diskuteres for mulig fremtidig konstruktion i Europa.

Kolliderende elektroner og positroner

Partikelfysikfællesskabet er i de tidlige stadier af planlægningen af ​​en mulig fremtidig elektron-positron-kollider, herunder diskussion af forskellige designs og placeringer. I hver af disse opsætninger, anlægget ville bringe stråler af negativt ladede elektroner (e-) til kollisioner med deres positivt ladede antimateriale modparter, kendt som positroner (e+), at foretage præcisionsstudier af egenskaberne ved Higgs boson. Det er den partikel, der blev opdaget ved Large Hadron Collider (LHC) i Europa i 2012, der er ansvarlig for at bibringe masse til de fleste grundlæggende partikler i standardmodellen for partikelfysik.

"At lære mere om Higgs -partikelens egenskaber og interaktioner med andre partikler ville hjælpe forskere med at opklare mekanismen bag dette vigtige fundament for, hvordan vores univers fungerer, og muligvis afdække uoverensstemmelser, der peger på eksistensen af ​​nye partikler eller 'ny fysik, "sagde Brookhaven-fysikeren Maria Chamizo-Llatas, medforfatter på papiret.

Et af de mulige designs er en "opbevaringsring" 100 kilometer i omkreds baseret på Europas CERN-laboratorium (hjemsted for den 27 kilometer lange cirkulære LHC). Stråler af elektroner og positroner cirkulerer kontinuerligt gennem lagringsringen og kolliderer gentagne gange for at producere de ønskede data. Et alternativt design ville bestå af to store lineære acceleratorer, der producerer lineære, head-on smashups.

Strømkrav til begge disse opsætninger nærmer sig hundredvis af megawatt, Roser sagde - nok energi til at drive hundredtusinder af hjem.

I en opbevaringsring, Roser bemærkede, masser af energi går tabt som "synkrotron" stråling, en type energi, der udsendes af ladede partikler, når de ændrer retning, der bevæger sig rundt i cirklen (billede af, hvordan vand sprøjter ud af et vådt håndklæde, hvis du hvirvler det rundt over dit hoved). "Jo højere energi, jo større synkrotron energitab, "Roser sagde - og jo større behov for at kompensere for dette tab ved at tilføre mere energi for at holde partiklerne kolliderende.

I en kollider ved hjælp af lineære acceleratorer, der udsendes ingen synkrotronstråling. Men de brugte bjælker kasseres efter en enkelt passage gennem speederen. Det betyder, at strålenergien, og også alle strålepartikler, er tabt. Mere energi er nødvendig for at accelerere friske partikelstråler igen og igen.

Brookhaven og Stony Brook-fysikerne siger, at deres energigendannelse og genanvendelse af ERL-komponenter kan løse centrale problemer med begge alternative designs. Som beskrevet i det nye papir, det ville reducere den elektriske strøm, der er nødvendig for at drive det 100 km lange ringformede anlæg, der diskuteres i Europa, til en tredjedel af det, der ville kræves uden en ERL. Og, ved at opfriske partikelstråler, mens de genvinder og genbruger deres energi, det ville eliminere behovet for at dumpe og udskifte bjælker, mens det stadig tillader enkeltpasskollisioner af tæt pakkede partikler for maksimal fysikpåvirkning.

Genbrug af energi og genbrug af bjælker

ERL ville være fremstillet af superledende radiofrekvens (SRF) hulrum, og fungere som "en perpetuum-mobil af en art opfundet i 1960'erne af Maury Tigner ved Cornell University, "forklarede Vladimir Litvinenko, en professor i fysik ved Stony Brook University med en fælles ansættelse på Brookhaven Lab. "Den største fordel ved SRF -hulrum er, at de bruger meget lidt energi under drift. De er perfekt egnet til at accelerere nye partikler ved at tage energi tilbage fra brugte partikler, "forklarede han.

For en e-e+ collider, en multi-pass ERL ville accelerere begge sæt partikler i trin til højere og højere energi hver gang de passerer gennem SRF lineær accelerator. Efter hvert trin i accelerationen, partiklerne ville lynes gennem en 100 kilometer ringformet tunnel tilbage til den lineære accelerator til næste accelerationstrin; elektroner bevæger sig i den ene retning og positroner går den anden vej. At have partiklerne til at rejse rundt på en så stor cirkulær vej hjælper med at reducere den tabte energi som synkrotronstråling.

"Efter at have kollideret med den øverste energi, både elektroner og positroner ville give deres energi tilbage ved at passere gennem den samme accelerator, men i bremsende måde, "Sagde Litvinenko." Under deceleration, partiklernes energi indfanges i SRF -hulrummene, der skal bruges til at accelerere det næste parti -parti. "

Vigtigere, ikke kun energien, men også partiklerne selv ville blive genanvendt efter kollisionerne. Yderligere kølekomponenter ville sikre, at partiklerne forbliver tæt pakket for at holde kollisionshastighederne høje, men strømkravene er relativt lave.

"Ved at tæmme behovet for strøm og genbruge partikler i en e-e+ collider, vores design ville give forskere mulighed for at udføre banebrydende forskning på en bæredygtig måde, "Sagde Roser.