När fysiker utvecklade planer för att bygga en elektronjonkollider (EIC)-en nästa generations kärnfysikalisk anläggning som ska byggas vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory för kärnfysisk forskning-undersökte de olika alternativ för att accelerera elektronstrålarna. Ett tillvägagångssätt, utvecklad av forskare vid Brookhaven Lab och Stony Brook University, skulle använda en linjär accelerator för energiåtervinning (ERL). ERL skulle föra elektronerna upp till den energi som behövs för att sondera den inre strukturen hos protoner och atomkärnor, och sedan bromsa elektronerna och återanvända det mesta av sin energi. FoU för att utveckla det innovativa ERL kan komma att få stor inverkan på ett annat fysikområde-partikelfysik med hög energi, där energibehovet gör dess energibesparande funktioner särskilt attraktiva.

"Strömförbrukningen för vetenskapliga instrument för partikelfysiska experiment har stadigt ökat. För att utföra hållbar forskning, fysiker undersöker sätt att minska den energiförbrukningen, "sa Thomas Roser, chef för Brookhaven Labs Collider-Accelerator-avdelning, en av forskarna som utvecklar ERL -metoden.

I en tidning som just publicerats i tidningen Fysikbokstäver B , författarna beskriver hur deras innovationer kan tämja effektbehovet för en elektron-positron (e-e+) kolliderare-en nästa generations högenergipartikelfysikforskningsanläggning som diskuteras för eventuell framtida konstruktion i Europa.

Kolliderande elektroner och positroner

Partikelfysikgemenskapen är i de tidiga stadierna av planering för en eventuell framtida elektron-positron-kolliderare, inklusive att diskutera olika mönster och platser. I var och en av dessa inställningar, anläggningen skulle föra strålar av negativt laddade elektroner (e-) till kollisioner med deras positivt laddade antimateria-motsvarigheter, känd som positroner (e+), att genomföra precisionsstudier av egenskaperna hos Higgs boson. Det är den partikel som upptäcktes vid Large Hadron Collider (LHC) i Europa 2012 som är ansvarig för att ge massan till de flesta grundläggande partiklarna i standardmodellen för partikelfysik.

"Att lära sig mer om Higgs -partikelns egenskaper och interaktioner med andra partiklar skulle hjälpa forskare att reda ut mekanismen bakom denna viktiga grund för hur vårt universum fungerar, och möjligen avslöja avvikelser som pekar på förekomsten av nya partiklar eller 'ny fysik, säger Brookhaven-fysikern Maria Chamizo-Llatas, en medförfattare på tidningen.

En av de möjliga konstruktionerna är en "lagringsring" 100 kilometer i omkrets baserad på Europas CERN-laboratorium (hem för den 27 kilometer långa cirkulära LHC). Strålar av elektroner och positroner skulle cirkulera genom lagringsringen kontinuerligt och kollidera upprepade gånger för att producera önskad data. En alternativ design skulle bestå av två stora linjära acceleratorer som producerar rätlinjiga, smidiga prylar.

Strömkraven för båda dessa inställningar närmar sig hundratals megawatt, Roser sa - tillräckligt med energi för att driva hundratusentals hem.

I en lagringsring, Roser noterade, mycket energi går förlorad som "synkrotron" -strålning, en typ av energi som avges av laddade partiklar när de ändrar riktning som rör sig runt cirkeln (se hur vatten sprutar av en våt handduk om du snurrar runt den ovanför huvudet). "Ju högre energi, desto större synkrotron energiförlust, "Roser sa - och desto större är behovet av att kompensera förlusten genom att lägga till mer energi för att få partiklar att kollidera.

I en kolliderare som använder linjära acceleratorer, ingen synkrotronstrålning avges. Men de använda strålarna kastas efter en enda passage genom gaspedalen. Det betyder att strålenergin, och även alla strålpartiklar, är försvunna. Mer energi behövs för att accelerera färska partikelstrålar om och om igen.

Brookhaven och Stony Brook fysiker säger att deras energiåtervinning och strålåtervinning ERL-komponenter kan lösa viktiga problem med båda alternativa konstruktionerna. Som beskrivs i den nya tidningen, det skulle minska den elektriska kraft som behövs för att driva den 100 km långa ringformade anläggningen som diskuteras i Europa till en tredjedel av vad som skulle krävas utan ERL. Och, genom att fräscha upp partikelstrålar samtidigt som de återvinner och återanvänder sin energi, det skulle eliminera behovet av att dumpa och ersätta balkar samtidigt som det tillåter enpassskollisioner av tätt packade partiklar för maximal fysikpåverkan.

Återanvända energi och återvinna strålar

ERL skulle vara gjord av supraledande radiofrekvenshålrum (SRF), och fungera som "en perpetuum-mobil av något slag som uppfanns på 1960-talet av Maury Tigner vid Cornell University, "förklarade Vladimir Litvinenko, en professor i fysik vid Stony Brook University med ett gemensamt möte på Brookhaven Lab. "Den största fördelen med SRF -hålrum är att de förbrukar väldigt lite energi under drift. De är perfekt lämpade för att accelerera nya partiklar genom att ta tillbaka energi från använda partiklar, " han förklarade.

För en e-e+ collider, en multi-pass ERL skulle accelerera båda partiklarna i steg till högre och högre energi varje gång de passerar genom SRF:s linjära accelerator. Efter varje steg av acceleration, partiklarna skulle zip genom en 100 kilometer ringformad tunnel tillbaka till den linjära acceleratorn för nästa accelerationssteg; elektroner som rör sig i en riktning och positroner går åt andra hållet. Att få partiklarna att resa runt en så stor cirkulär väg hjälper till att minska energiförlusten som synkrotronstrålning.

"Efter att ha kolliderat med toppenergin, både elektroner och positroner skulle ge tillbaka sin energi genom att passera genom samma accelerator men i avmattning, "Sa Litvinenko." Under inbromsningen, partiklarnas energi fångas upp i SRF -hålrummen för att användas för att accelerera nästa parti. "

Viktigt, inte bara energin utan även partiklarna i sig skulle återvinnas efter kollisionerna. Ytterligare kylkomponenter skulle säkerställa att partiklarna förblir tätt packade för att hålla kollisionshastigheten hög men effektkraven relativt låga.

"Genom att tämja behovet av kraft och återanvända partiklar i en e-e+ collider, vår design skulle göra det möjligt för forskare att utföra spetsforskning på ett hållbart sätt, "Sa Roser.