EIC, вероятно, углубит наше понимание Вселенной способами, которые мы не можем понять.
Откуда берется 99% массы атома? На сегодняшний день это одна из самых неотразимых загадок квантовой механики. Однако для того, чтобы это выяснить, потребуется невероятное количество энергии и ресурсов, не говоря уже о каком-то действительно точном оборудовании. Вот тут-то и появляется электронно-ионный коллайдер (EIC). Этот объект, на самом деле два, которые в настоящее время строятся, вероятно, углубит наше понимание Вселенной способами, которые мы не можем ни предсказать, ни понять. Кроме того, ожидается, что электронно-ионный коллайдер (EIC) создаст технологические возможности, которые до сих пор не представлялись.
Физики, участвующие в проекте, говорят, что это аналогично тому, как более глубокое понимание электричества породило современный мир в прошлом веке. В результате появились автомобили, электричество, самолеты и компьютеры (даже ваш смартфон). Но что может открыть более глубокое понимание сил внутри протона или нейтрона? Два таких объекта будут модернизированы для создания EIC.
One находится в лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс, штат Вирджиния. Модернизация обойдется в 1 миллиард долларов, и ею будут управлять 100 физиков из 20 лабораторий и университетов по всему миру. Другой состоится в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк. Это будет стоить 1,5 миллиарда долларов.
Каждая площадка будет содержать недавно разработанное и пока еще непроверенное оборудование, разработанное учеными JLab, Brookhaven и MIT. Первоначальный план был разработан Консультативным комитетом по ядерным наукам (NSAC), группой экспертов, которые пишут планы на десятилетия вперед и представляют их в Национальный научный фонд и Министерство энергетики США.
Схема электронно-ионного коллайдера JLab (JLEIC). В этой конструкции будет использоваться уже существующий ускоритель непрерывного электронного пучка (CEBAF). Изображение предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория, Министерство энергетики США.
Физик-ядерщик и председатель NSAC Дональд Гисаман сказал Nature: «Пока у нас не будет EIC, существуют огромные области ядерной физики, в которых мы не собираемся добиваться прогресса». Каждый коллайдер будет способствовать изучению квантовой хромодинамики (КХД). Это теория того, как кварки и глюоны составляют ядра протонов и нейтронов. Глюоны - это «клей», удерживающий кварки на месте. Что примечательно, так это то, что благодаря этому акту глюоны удерживают вместе всю видимую материю Вселенной. Удивительно, но сила, создаваемая глюонами, составляет всего 1% от общей массы любого объекта.
Две основные цели проекта включают: точное отображение кварков и глюонов для выяснения их спина, «аромата» и пространственной структуры, а также «окончательное изучение универсальной природы сильных глюонных полей». в ядрах.«Эксперименты в каждом EIC могут также помочь объяснить вращение протонов, загадку квантовой механики, которой уже три десятилетия. Основной вопрос заключается в том, что составляет две трети спина протона? Только треть можно объяснить содержащимися в ней кварками. Исследователи также будут исследовать редкое состояние материи, содержащее только глюоны.
В настоящее время в Брукхейвенской лаборатории есть релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), который исследует глюоны и кварки, а также Большой Халдронный коллайдер в ЦЕРНе. Таким образом, ученые надеются воссоздать энергетические условия, которые, как считается, существовали во времена ранней Вселенной. Эти установки делают это, беря тяжелые ионы или нейтроны и разбивая их о неподвижный материал. Вместо этого EIC будет ускорять протоны (ионы) с одной стороны и электроны с другой, каждый почти со скоростью света, и сталкивать их друг с другом с предельной точностью.
Расположение нового EIC, строящегося в настоящее время в лаборатории Джефферсона. Изображение предоставлено: Лаборатория Джефферсона, Министерство энергетики США.
Инженеры Лаборатории Джефферсона используют уже существующий Ускоритель Непрерывного Электронного Луча (CEBAF) и развивают его. При использовании в течение 15 лет CEBAF действует как огромный микроскоп. Он способен исследовать объекты в миллион раз меньше атома. Здесь ученые берут электроны, содержащие дополнительную энергию, и врезают их в неподвижные ядра атомов почти со скоростью света. Физики проводили такие эксперименты с атомами водорода, гелия, углерода и свинца.
Чтобы превратить его в EIC, строится еще один ускоритель частиц, пересекающий существующий. Здесь пучки электронов высокой энергии и интенсивные пучки протонов (или тяжелых атомных ядер) столкнутся в лобовых столкновениях почти со скоростью света. В Брукхейвене также будет добавлено еще одно электронное кольцо, но в другой конфигурации, чтобы совершить тот же подвиг.
Согласно веб-сайту JLab, разница между их старой лабораторией и новой такая же, как «… разница между автомобилем, врезающимся в стену (разгоняющим электроны в неподвижную цель), иавтомобиль, врезающийся в другой автомобиль (превращает электроны в ускоряющиеся ионы)». Эти столкновения происходят не только при более высокой энергии, но и более точно, что позволяет ученым изучать обломки и, таким образом, составные части каждой частицы гораздо более подробно.