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Colisionador de electrones e iones

Un colisionador de electrones e iones ( EIC ) es un tipo de acelerador de partículas diseñado para hacer colisionar haces de electrones e iones polarizados por espín , con el fin de estudiar las propiedades de la materia nuclear en detalle a través de la dispersión inelástica profunda . En 2012, se publicó un informe técnico [1] , que proponía el desarrollo y la construcción de un acelerador EIC, y en 2015, el Comité Asesor de Ciencias Nucleares (NSAC) del Departamento de Energía nombró la construcción de un colisionador de electrones e iones 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 , con un costo estimado de entre 1.600 y 2.600 millones de dólares. [3]

El 18 de septiembre de 2020, se celebró una ceremonia de inauguración en BNL, que dio inicio oficialmente al desarrollo y la construcción del EIC. [4]

Diseños propuestos

En Estados Unidos, el Laboratorio Nacional de Brookhaven tiene un diseño declarado para un EIC cuya construcción está prevista para la década de 2020. En Europa, el CERN tiene planes para el LHeC . También existen planes chinos y rusos para un colisionador de electrones e iones.

eRHIC

El diseño conceptual del Laboratorio Nacional de Brookhaven, eRHIC, propone actualizar el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas existente , que hace colisionar haces de luz 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 del eRHIC del Laboratorio Nacional de Brookhaven fue seleccionado sobre el diseño conceptual presentado por la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson como el diseño de un futuro EIC en los Estados Unidos. Además de la selección del sitio, se anunció que el EIC del BNL había adquirido CD-0 (necesidad de la misión) del Departamento de Energía. [3]

LHeC

El LHeC utilizaría el acelerador LHC existente y añadiría un acelerador de electrones para colisionar los electrones con los hadrones . [6] [7]

Desafíos técnicos

Polarización

Para poder comprender la dependencia del espín de las colisiones electrón-nucleón, 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 diferentes problemas. La polarización electrónica se ve afectada por la radiación 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 sincrotrón, el movimiento del espín sigue la ecuación BMT de Thomas .

Logro de alta luminosidad

La luminosidad determina las tasas de interacción entre electrones y nucleones. Cuanto más débil sea 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 sean las emitancias de los haces, mayor será 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 electrón-ion 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 interacción fuerte mediada por gluones . El dominio general que abarca el estudio de estos fenómenos fundamentales es la física nuclear , con el marco de referencia de bajo nivel generalmente aceptado siendo la cromodinámica cuántica , el "cromo" resultante del hecho de que los quarks se describen como teniendo tres posibles valores diferentes de 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, surgen de la dinámica de los constituyentes de nivel inferior de los quarks y los 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

El grupo de usuarios del Colisionador de Electrones e Iones está formado por más de 1400 físicos de más de 290 laboratorios y universidades de 38 países de todo el mundo. [8]

Fondos

En el año 2022, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía informó que el presupuesto para el Colisionador de Electrones e Iones sería de 30 millones de dólares, mientras que el proyecto requería 120 millones de dólares para alcanzar su hito definido en 2023, lo que provocó que el cronograma de preconstrucción del EIC se "estirara". [9]

EIC anteriores

Un colisionador de electrones e iones del pasado fue HERA en Hamburgo , Alemania. Hera funcionó entre 1992 y 2007 y colisionó electrones y protones en un centro de masa con una energía de 318 GeV.

Referencias

  1. ^ A. Accardi et al., "Colisionador de iones de electrones: la próxima frontera de la QCD: comprender el pegamento que nos une a todos", 2012.
  2. ^ "Oficina de Ciencias" (PDF) .
  3. ^ ab “El Departamento de Energía de EE. UU. selecciona el Laboratorio Nacional de Brookhaven para albergar una nueva e importante instalación de física nuclear” 2020.
  4. ^ "Brookhaven lanza un colisionador de electrones e iones". 21 de septiembre de 2020.
  5. ^ EC Aschenauer et al., “Estudio de diseño de eRHIC: un colisionador de electrones e iones en BNL”, 2014.
  6. ^ Abelleira Fernández, JL; Adolfsen, C.; Bien, AN; Aksakal, H.; Albacete, JL; Alekhin, S.; Allport, P.; Andreev, V.; Appleby, RB; Arikan, E.; Armesto, N.; Azuelos, G.; Bai, M.; Barbero, D.; Bartels, J.; Behnke, O.; Behr, J.; Belyaev, AS; Ben-Zvi, I.; Bernardo, N.; Bertolucci, S.; Bettoni, S.; Biswal, S.; Blümlein, J.; Böttcher, H.; Bogacz, A.; Braco, C.; Brandt, G.; Braun, H.; et al. (2012). "Un gran colisionador de electrones de hadrones en el informe del CERN sobre conceptos de física y diseño para máquinas y detectores". Revista de Física G: Física nuclear y de partículas . 39 (7): 075001. arXiv : 1206.2913 . Código Bibliográfico : 2012JPhG...39g5001A. doi : 10.1088/0954-3899/39/7/075001. S2CID:  52498118.
  7. ^ "Un gran colisionador de electrones de hadrones en el CERN".
  8. ^ "¡Bienvenidos! | Grupo de usuarios del colisionador de electrones e iones".
  9. ^ Thomas, Will (7 de enero de 2022). "El programa de física nuclear del DOE se acerca al punto de inflexión". Para su información, Instituto Americano de Física . Consultado el 15 de abril de 2022 .