Un colisionador electrón-ion ( EIC ) es un tipo de acelerador de partículas diseñado para colisionar haces de electrones e iones polarizados por espín , con el fin de estudiar las propiedades de la materia nuclear en detalle mediante una dispersión inelástica profunda . En 2012, se publicó un documento 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 iones de electrones como una de las principales prioridades. para el futuro próximo en la 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 construcción del EIC. [4]
En Estados Unidos, el Laboratorio Nacional 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 hay planes chinos y rusos para un colisionador de iones de electrones.
El diseño conceptual del Laboratorio Nacional Brookhaven, eRHIC, propone actualizar el Colisionador Relativista de Iones Pesados existente , que colisiona 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 Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. , anunció que el diseño BNL eRHIC 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 BNL EIC había adquirido CD-0 (necesidad de misión) del Departamento de Energía. [3]
El LHeC haría uso del acelerador existente del LHC y añadiría un acelerador de electrones para colisionar electrones con los hadrones . [6] [7]
Para permitir 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 cuestiones diferentes. 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 . Haciendo caso omiso de los efectos de la radiación sincrotrón, el movimiento del espín sigue la ecuación de Thomas BMT .
La luminosidad determina las tasas de interacciones entre electrones y nucleones. Cuanto más débil es 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, hay que considerar el efecto de la dispersión intrahaz , que es en gran medida un efecto de calentamiento.
Un colisionador electrón-ion permite sondear la subestructura de protones y neutrones mediante un electrón de alta energía. Los protones y los neutrones están compuestos de quarks e interactúan mediante la interacción fuerte mediada por los gluones . El dominio general que abarca el estudio de estos fenómenos fundamentales es la física nuclear , siendo el marco de referencia generalmente aceptado de bajo nivel la cromodinámica cuántica , la "cromo" resultante del hecho de que se describe que los quarks tienen tres valores posibles diferentes para la 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 emergen de la dinámica constituyente de nivel inferior de los quarks y 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 .
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En el año 2022, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía informó que el presupuesto para el Colisionador de Iones y Electrones sería de 30 millones de dólares, mientras que el proyecto requería 120 millones de dólares para cumplir su hito definido en 2023, lo que provocó que el cronograma previo a la construcción del EIC fuera "estirado". [9]
Un colisionador de electrones e iones en el pasado fue HERA en Hamburgo , Alemania. Hera funcionó de 1992 a 2007 y chocó electrones y protones en un centro de energía de masa de 318 GeV.