Fallet för en ambitiös ny partikelaccelerator som ska byggas i USA har precis fått ett stort uppsving.

I dag, de nationella vetenskapsakademierna, Teknik, och medicin har stött utvecklingen av Electron Ion Collider, eller EIC. Den föreslagna anläggningen, bestående av två korsande acceleratorer, skulle krossa strålar av protoner och elektroner som färdades med nästan ljusets hastighet. I efterdyningarna av varje kollision, forskare borde se "ögonblicksbilder" av partiklarnas inre strukturer, ungefär som en datortomografi efter atomer. Från dessa bilder, forskare hoppas få ihop en flerdimensionell bild, med oöverträffat djup och klarhet, av kvarkerna och gluonerna som binder samman protoner och all synlig materia i universum.

EIC, om byggt, skulle avsevärt främja området för kvantkromodynamik, som försöker svara på grundläggande frågor inom fysik, som hur kvarker och gluoner producerar den starka kraften - "limet" som håller ihop all materia. Om den är konstruerad, EIC skulle vara den största acceleratoranläggningen i USA och, över hela världen, andra bara till Large Hadron Collider på CERN. MIT -fysiker, inklusive Richard Milner, professor i fysik vid MIT, har varit involverade från början i att föra fram fallet för EIC.

MIT News checkade in med Milner, medlem i MIT:s centrum för teoretisk fysik och laboratoriet för kärnvetenskap, om behovet av en ny partikelkolliderare och dess framtidsutsikter.

F:Berätta lite om designens historia. Vad har det krävt för att få fram den nya partikelacceleratorn?

S:Utvecklingen av både det vetenskapliga och tekniska fallet för EIC har pågått i ungefär två decennier. Med utvecklingen av kvantkromodynamik (QCD) på 1970 -talet av MIT -fysikprofessor Frank Wilczek och andra, kärnfysiker har länge försökt att överbrygga klyftan mellan QCD och den framgångsrika kärnteorin baserad på experimentellt observerbara partiklar, där de grundläggande beståndsdelarna är de odetekterbara kvarkerna och gluonerna.

En högenergikollider med förmågan att kollidera elektroner med hela kärnområdet med höga hastigheter och att få elektronerna och nukleonerna polariserade identifierades som det viktiga verktyget för att konstruera denna bro. Hög energi-elektron spridning från protonen var hur kvarkar experimentellt upptäcktes vid SLAC i slutet av 1960-talet (av MIT-fysikfakulteten Henry Kendall och Jerome Friedman och kollegor), och det är den accepterade tekniken för att direkt undersöka materiens grundläggande kvark- och gluonstruktur.

Betydande inledande drivkraft för EIC kom från kärnfysiker vid universitetets användaranläggningar vid University of Indiana och MIT samt från fysiker som försöker förstå ursprunget till protonets snurr, vid laboratorier och universitet i USA och Europa. Under de tre senaste långdistansplaneringsövningarna av amerikanska kärnfysiker 2002, 2007, och 2015, fallet för EIC har mognat och stärkts. Efter övningen 2007, de två amerikanska flaggskeppets kärnkraftsanläggningar, nämligen Relativistic Heavy Ion Collider vid Brookhaven National Laboratory och Continuous Electron Beam Accelerator Facility vid Jefferson Laboratory, tog en ledarroll i att samordna EIC-aktiviteter över hela det breda U.S.A. QCD-samhället. Detta ledde till produktionen 2012 av en kortfattad sammanfattning av vetenskapsfallet, "Electron-Ion Collider:The Next QCD Frontier (Förstå limet som binder oss alla)."

Planeringsövningen 2015 fastställde EIC som den högsta prioriteten för nybyggnation av anläggningar i amerikansk kärnfysik efter att nuvarande åtaganden har uppfyllts. Detta ledde till bildandet av en kommitté av U.S.National Academy of Sciences (NAS) för att bedöma fallet EIC -vetenskap. NAS-kommittén diskuterade i ungefär ett år och rapporten har släppts offentligt denna månad.

F:Ge oss en uppfattning om hur kraftfull den här nya kollideraren kommer att vara och vilken typ av nya interaktioner den kommer att producera. Vilka typer av fenomen hjälper det att förklara?

S:EIC kommer att vara en kraftfull och unik ny accelerator som kommer att erbjuda ett aldrig tidigare skådat fönster in i materiens grundläggande struktur. Elektron-jon-kollisionshastigheten vid EIC kommer att vara hög, mer än två storleksordningar större än vad som var möjligt vid den enda tidigare elektron-protonkollideraren, nämligen HERA, som opererade vid DESY -laboratoriet i Hamburg, Tyskland, från 1992 till 2007. Med EIC, fysiker kommer att kunna avbilda de virtuella kvarkar och gluoner som utgör protoner, neutroner, och kärnor, med oöverträffad rumslig upplösning och slutartid. Ett mål är att ge bilder av mikrokosmos grundläggande struktur som kan uppskattas i stort av mänskligheten:att svara på frågor som, hur ser en proton ut? Och hur ser en kärna ut?

Det finns tre centrala vetenskapliga frågor som kan hanteras av en elektronjonkollider. Det första målet är att i detalj förstå mekanismerna inom QCD genom vilka massan av protoner och neutroner, och därmed massan av all synlig materia i universum, genereras. Problemet är att medan gluoner inte har någon massa, och kvarker är nästan masslösa, protonerna och neutronerna som innehåller dem är tunga, utgör det mesta av universums synliga massa. Den totala massan av ett nukleon är cirka 100 gånger större än massan av de olika kvarkerna som den innehåller.

Den andra frågan är att förstå ursprunget till den inneboende vinkelmomentet, eller snurra, av nukleoner, en grundläggande egenskap som ligger till grund för många praktiska tillämpningar, inklusive magnetisk resonanstomografi (MRI). Hur vinkelmomentet, både inneboende och orbitala, av de inre kvarkarna och gluonerna ger upphov till det kända nukleonspinnet är inte förstått. Och för det tredje, gluons natur i materia - det vill säga deras arrangemang eller stater - och detaljerna om hur de håller ihop materia, är inte känt. Gluoner i materia är lite som mörk materia i universum:osedda men spelar en avgörande roll. En elektron-jonkolliderare skulle potentiellt avslöja nya tillstånd till följd av tät packning av många gluoner i nukleoner och kärnor. Dessa frågor är grundläggande för vår förståelse av frågan i universum.

F:Vilken roll kommer MIT att ha i detta projekt framöver?

A:För närvarande, mer än ett dussin MIT-fysikavdelningens fakultet leder forskargrupper i Laboratory for Nuclear Science som arbetar direkt med att förstå materiens grundläggande struktur som beskrivs av QCD. Det är den största universitetsbaserade gruppen i USA som arbetar med QCD. Teoretisk forskning är inriktad på Centrum för teoretisk fysik, och experimentalister förlitar sig starkt på Bates Research and Engineering Center för teknisk support.

MIT -teoretiker utför viktiga beräkningar med världens mest kraftfulla datorer för att förstå grundläggande aspekter av QCD. MIT experimentella fysiker genomför experiment på befintliga anläggningar, som BNL, CERN, och Jefferson Laboratory, för att nå ny insikt och utveckla nya tekniker som kommer att användas vid EIC. Ytterligare, FoU till nya polariserade källor, detektorer, och innovativa datainsamlingssystem av MIT-forskare och ingenjörer pågår. Det förväntas att dessa insatser kommer att öka i takt med att förverkligandet av EIC närmar sig.

Det förväntas att US Department of Energy Office of Science inom en snar framtid kommer att initiera den officiella processen för EIC genom vilken den amerikanska regeringen godkänner, medel, och bygger nytt, stora vetenskapliga anläggningar. Kritiska frågor är valet av webbplatsen för EIC och internationella användares deltagande. En EIC -användargrupp har bildats med deltagande av mer än 700 doktorander. forskare från över 160 laboratorier och universitet runt om i världen. Om förverkligandet av EIC följer ett schema som är jämförbart med det för tidigare stora anläggningar, det borde göra vetenskap cirka 2030. MIT har en lång historia av att tillhandahålla ledarskap inom amerikansk kärnfysik och kommer att fortsätta att spela en viktig roll när vi fortsätter på vägen till EIC.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.