De vetenskapliga frågorna som skulle kunna besvaras av en elektronjonkolliderare (EIC) - en mycket storskalig partikelaccelerator - är viktiga för att främja vår förståelse av atomkärnorna som utgör all synlig materia i universum, säger en ny rapport från National Academies of Sciences, Teknik, och medicin. Utöver dess inverkan på kärnkraftsvetenskap, de framsteg som möjliggörs av en EIC kan ha långtgående fördelar för landets vetenskaps- och teknikdrivna ekonomi samt för att upprätthålla USA:s ledarskap inom kärnfysik och kolliderar- och acceleratorteknologier.
National Academies ombads av US Department of Energy (DOE) att undersöka den vetenskapliga betydelsen av en EIC, såväl som de internationella konsekvenserna av att bygga inhemska EIC-anläggningar. Kommittén som genomförde studien och skrev rapporten drog slutsatsen att den vetenskap som kan behandlas av en EIC är övertygande och skulle ge långa svårfångade svar om materiens natur. En EIC skulle tillåta forskare att undersöka var kvarkar och gluoner, de små partiklarna som utgör neutroner och protoner, finns inuti protoner och neutroner, hur de rör sig, och hur de interagerar tillsammans. Medan den berömda Higgs-mekanismen förklarar kvarkarnas massor, den mest betydande delen av massan av en proton eller neutron kommer från dess gluoner och deras interaktioner. Avgörande frågor som en EIC skulle besvara inkluderar ursprunget till massan av atomkärnor, ursprunget till snurrandet av neutroner och protoner - en grundläggande egenskap som gör magnetisk resonanstomografi (MRI) möjlig, hur gluoner håller ihop kärnor, och om emergenta former av materia gjorda av täta gluoner existerar.
Rapporten säger att en ny EIC-acceleratoranläggning skulle ha kapacitet utöver alla tidigare elektronspridningsmaskiner i USA, Europa, och Asien. Höga energier och ljusstyrkor – måttet på hastigheten med vilken partikelkollisioner inträffar – krävs för att uppnå den fina upplösning som behövs, och för att nå sådana intensiteter och energinivåer krävs en kolliderare där elektronstrålar krossas i strålar av protoner eller tyngre joner. Jämför alla befintliga och föreslagna acceleratoranläggningar runt om i världen, Kommittén drog slutsatsen att en EIC med hög energi och ljusstyrka, och högpolariserade elektron- och jonstrålar, skulle vara unikt och i en position att avsevärt främja vår förståelse av synlig materia.
"En EIC skulle vara den mest sofistikerade och utmanande accelerator som för närvarande föreslagits för konstruktion i USA och skulle avsevärt främja acceleratorvetenskapen, och mer specifikt kolliderar vetenskap och teknik, här och runt om i världen, " sa kommitténs medordförande Gordon Baym, Centrum för avancerade studier professor emeritus, George och Ann Fisher framstående professor i teknik emeritus, och forskningsprofessor vid University of Illinois i Urbana-Champaign. "Förverkligandet av en EIC är helt avgörande för att upprätthålla hälsan inom kärnfysikområdet i USA och skulle öppna upp nya områden för vetenskaplig undersökning."
För närvarande, Brookhaven National Laboratory (BNL) på Long Island, New York, har en tung jonkolliderare, och Thomas Jefferson National Accelerator Laboratory (JLab) i Newport News, Virginia, har mycket energiska elektronstrålar. Båda labben har föreslagit designkoncept för en EIC som skulle använda deras redan tillgängliga infrastruktur, expertis, och erfarenhet. Rapporten, utan att gynna den ena framför den andra, säger att att dra nytta av de befintliga anläggningarna skulle göra utvecklingen av en EIC kostnadseffektiv och minska associerade risker som följer med att bygga en stor acceleratoranläggning. Medan båda labben har välutvecklade konstruktioner för en EIC, båda skulle kräva avsevärd forskning och utveckling för att fullt ut kunna leverera de övertygande vetenskapsfrågorna. Rapporten säger att DOE FoU-investeringar har varit och skulle fortsätta att vara avgörande för att minimera designrisker i tid och för att ta itu med enastående acceleratorutmaningar.
Kommittén tillade att tillsammans med att utveckla kärnkraftsvetenskapen, en EIC skulle också gynna andra områden som astrofysik, partikelfysik, acceleratorfysik, och teoretisk och beräkningsmodellering. Det skulle också spela en värdefull roll för att upprätthålla den amerikanska kärnfysikarbetsstyrkan under de kommande decennierna. Dessutom, det skulle ha en betydande roll för att vidareutveckla de teknologier som skulle bli resultatet av forskning och utveckling som genomförs vid implementering och konstruktion av en EIC i USA. Rapporten betonar att en EIC är den enda högenergikollideraren som planeras för konstruktion i USA för närvarande, och att bygga en sådan anläggning skulle bibehålla USA:s ledarskap inom acceleratorkollidervetenskap samtidigt som det gynnar de fysikaliska vetenskaperna.
"Vetenskapen som en EIC skulle uppnå är helt enkelt unik och skulle säkerställa USA:s ledarskap inom kärnkraftsvetenskap samt acceleratorvetenskap och teknik för kolliderar runt om i världen, " sa kommitténs medordförande Ani Aprahamian, Freimann professor i experimentell kärnfysik vid University of Notre Dame.
