El caso de un nuevo y ambicioso acelerador de partículas que se construirá en los Estados Unidos acaba de recibir un gran impulso.

Hoy dia, las Academias Nacionales de Ciencias, Ingenieria, y Medicina han respaldado el desarrollo del colisionador de iones de electrones, o EIC. La instalación propuesta, que consta de dos aceleradores que se cruzan, aplastaría haces de protones y electrones que viajan casi a la velocidad de la luz. A raíz de cada colisión, los científicos deberían ver "instantáneas" de las estructuras internas de las partículas, muy parecido a una tomografía computarizada en busca de átomos. De estas imágenes, Los científicos esperan reconstruir una imagen multidimensional, con una profundidad y claridad sin precedentes, de los quarks y gluones que unen los protones y toda la materia visible del universo.

El EIC, si se construye, avanzaría significativamente en el campo de la cromodinámica cuántica, que busca responder preguntas fundamentales en física, como la forma en que los quarks y gluones producen la fuerza fuerte, el "pegamento" que mantiene unida toda la materia. Si está construido, el EIC sería la instalación de aceleración más grande de los EE. UU. y, en todo el mundo, solo superado por el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. Físicos del MIT, incluyendo a Richard Milner, profesor de física en el MIT, han participado desde el principio en la defensa de la EIC.

MIT News se registró con Milner, miembro del Centro de Física Teórica y del Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT, sobre la necesidad de un nuevo colisionador de partículas y sus perspectivas en el futuro.

P:Cuéntenos un poco sobre la historia de este diseño. ¿Qué se ha necesitado para defender este nuevo acelerador de partículas?

R:El desarrollo del caso científico y técnico para el EIC ha estado en progreso durante aproximadamente dos décadas. Con el desarrollo de la cromodinámica cuántica (QCD) en la década de 1970 por el profesor de física del MIT Frank Wilczek y otros, Los físicos nucleares han buscado durante mucho tiempo cerrar la brecha entre QCD y la exitosa teoría de núcleos basada en partículas observables experimentalmente. donde los constituyentes fundamentales son los quarks y gluones indetectables.

Un colisionador de alta energía con la capacidad de colisionar electrones con la gama completa de núcleos a altas velocidades y tener los electrones y los nucleones polarizados se identificó como la herramienta esencial para construir este puente. La dispersión de electrones de alta energía del protón fue la forma en que se descubrieron experimentalmente los quarks en SLAC a fines de la década de 1960 (por el profesor de física del MIT Henry Kendall y Jerome Friedman y sus colegas). y es la técnica aceptada para sondear directamente la estructura fundamental de quarks y gluones de la materia.

El impulso inicial significativo para el EIC provino de los físicos nucleares en las instalaciones de usuarios universitarios en la Universidad de Indiana y el MIT, así como de los físicos que buscan comprender el origen del giro del protón. en laboratorios y universidades de EE. UU. y Europa. Durante los últimos tres ejercicios de planificación a largo plazo realizados por físicos nucleares estadounidenses en 2002, 2007, y 2015, el caso de la EIC ha madurado y se ha fortalecido. Después del ejercicio de 2007, las dos instalaciones nucleares insignia de Estados Unidos, a saber, el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y la Instalación del Acelerador de Haz de Electrones Continuo en el Laboratorio de Jefferson, asumió un papel de liderazgo en la coordinación de las actividades de EIC en la amplia comunidad de QCD de EE. UU. Esto llevó a la producción en 2012 de un resumen sucinto del caso científico, "Colisionador de iones de electrones:La próxima frontera de QCD (Comprender el pegamento que nos une a todos)".

El ejercicio de planificación de 2015 estableció el EIC como la máxima prioridad para la construcción de nuevas instalaciones en física nuclear de EE. UU. Una vez que se cumplan los compromisos actuales. Esto llevó a la formación de un comité por parte de la Academia Nacional de Ciencias (NAS) de EE. UU. Para evaluar el caso científico de EIC. El comité de NAS deliberó durante aproximadamente un año y el informe se ha hecho público este mes.

P:Danos una idea de cuán poderoso será este nuevo colisionador y qué tipo de nuevas interacciones producirá. ¿Qué tipo de fenómenos ayudará a explicar?

R:El EIC será un nuevo acelerador poderoso y único que ofrecerá una ventana sin precedentes a la estructura fundamental de la materia. La tasa de colisión electrón-ión en el EIC será alta, más de dos órdenes de magnitud mayor de lo que era posible en el único colisionador anterior de electrones y protones, a saber HERA, que operaba en el laboratorio DESY en Hamburgo, Alemania, de 1992 a 2007. Con el EIC, los físicos podrán obtener imágenes de los quarks y gluones virtuales que forman los protones, neutrones y núcleos, con una resolución espacial y una velocidad de obturación sin precedentes. Un objetivo es proporcionar imágenes de la estructura fundamental del microcosmos que puedan ser apreciadas ampliamente por la humanidad:para responder preguntas como, ¿Qué aspecto tiene un protón? ¿Y cómo se ve un núcleo?

Hay tres cuestiones científicas centrales que pueden abordarse mediante un colisionador de iones y electrones. El primer objetivo es comprender en detalle los mecanismos dentro de QCD por los cuales la masa de protones y neutrones, y así la masa de toda la materia visible en el universo, es generado. El problema es que, si bien los gluones no tienen masa, y los quarks casi no tienen masa, los protones y neutrones que los contienen son pesados, que constituyen la mayor parte de la masa visible del universo. La masa total de un nucleón es unas 100 veces mayor que la masa de los diversos quarks que contiene.

La segunda cuestión es comprender el origen del momento angular intrínseco, o girar, de nucleones, una propiedad fundamental que subyace a muchas aplicaciones prácticas, incluidas las imágenes por resonancia magnética (IRM). ¿Cómo el momento angular, tanto intrínsecos como orbitales, de los quarks y gluones internos da lugar al espín nucleón conocido no se comprende. Y en tercer lugar, la naturaleza de los gluones en la materia, es decir, sus arreglos o estados, y los detalles de cómo mantienen unida la materia, no es muy conocido. Los gluones en la materia son un poco como la materia oscura en el universo:no se ven pero juegan un papel crucial. Un colisionador de electrones-iones potencialmente revelaría nuevos estados resultantes del empaquetamiento cercano de muchos gluones dentro de nucleones y núcleos. Estos problemas son fundamentales para nuestra comprensión de la materia del universo.

P:¿Qué papel tendrá el MIT en este proyecto en el futuro?

R:En la actualidad, más de una docena de profesores del departamento de física del MIT dirigen grupos de investigación en el Laboratorio de Ciencias Nucleares que trabajan directamente en la comprensión de la estructura fundamental de la materia tal como la describe QCD. Es el grupo universitario más grande de EE. UU. Que trabaja en QCD. La investigación teórica se centra en el Centro de Física Teórica, y los experimentadores dependen en gran medida del Centro de Investigación e Ingeniería de Bates para obtener soporte técnico.

Los teóricos del MIT están realizando cálculos importantes utilizando las computadoras más poderosas del mundo para comprender los aspectos fundamentales de QCD. Los físicos experimentales del MIT están realizando experimentos en las instalaciones existentes, como BNL, CERN, y el Laboratorio Jefferson, para alcanzar nuevos conocimientos y desarrollar nuevas técnicas que se utilizarán en el EIC. Más lejos, I + D en nuevas fuentes polarizadas, detectores, y se están desarrollando esquemas innovadores de adquisición de datos por parte de científicos e ingenieros del MIT. Se prevé que estos esfuerzos se intensificarán a medida que se acerque la realización de la EIC.

Se prevé que la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU. Iniciará en un futuro próximo el proceso oficial de EIC mediante el cual el gobierno de EE. UU. Aprueba, fondos, y construye nuevas, Grandes instalaciones científicas. Los temas críticos son la selección del sitio para EIC y la participación de usuarios internacionales. Se ha formado un grupo de usuarios de EIC con la participación de más de 700 Ph.D. científicos de más de 160 laboratorios y universidades de todo el mundo. Si la realización del EIC sigue un calendario comparable al de las grandes instalaciones anteriores, debería estar haciendo ciencia para el 2030. El MIT tiene una larga historia de liderazgo en la física nuclear de los EE. UU. y continuará desempeñando un papel importante a medida que avanzamos en el camino hacia la EIC.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.