A medida que los físicos desarrollaban planes para construir un colisionador de electrones-iones (EIC), una instalación de física nuclear de próxima generación que se construirá en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación de la física nuclear, exploraron varias opciones para acelerar los haces de electrones. Una aproximación, desarrollado por científicos de Brookhaven Lab y Stony Brook University, era utilizar un acelerador lineal de recuperación de energía (ERL). El ERL llevaría los electrones a la energía necesaria para sondear la estructura interna de los protones y los núcleos atómicos, y luego desacelerar los electrones y reutilizar la mayor parte de su energía. La I + D para desarrollar el innovador ERL puede terminar teniendo un gran impacto en un área diferente de la física:la física de partículas de alta energía, donde las necesidades de energía hacen que sus características de ahorro de energía sean particularmente atractivas.

"El consumo de energía de los instrumentos científicos para experimentos de física de partículas ha aumentado constantemente. Para realizar una investigación sostenible, los físicos están investigando formas de reducir ese consumo de energía, "dijo Thomas Roser, jefe del Departamento de Aceleradores y Colisionadores de Brookhaven Lab, uno de los científicos que desarrolló el enfoque ERL.

En un artículo recién publicado en la revista Letras de física B , los autores describen cómo sus innovaciones podrían controlar los requisitos de energía de un colisionador electrón-positrón (e-e +), una instalación de investigación de física de partículas de alta energía de próxima generación que se está debatiendo para una posible construcción futura en Europa.

Choque de electrones y positrones

La comunidad de la física de partículas se encuentra en las primeras etapas de planificación para un posible colisionador futuro de electrones y positrones, incluida la discusión de varios diseños y ubicaciones. En cada una de estas configuraciones, la instalación llevaría haces de electrones cargados negativamente (e-) en colisiones con sus homólogos de antimateria cargados positivamente, conocido como positrones (e +), para realizar estudios de precisión de las propiedades del bosón de Higgs. Esa es la partícula descubierta en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Europa en 2012 que es responsable de impartir masa a la mayoría de las partículas fundamentales en el Modelo Estándar de física de partículas.

"Aprender más sobre las propiedades de la partícula de Higgs y las interacciones con otras partículas ayudaría a los científicos a desentrañar el mecanismo detrás de esta importante base de cómo funciona nuestro universo, y posiblemente descubrir discrepancias que apuntan a la existencia de nuevas partículas o 'nueva física, '", dijo la física de Brookhaven María Chamizo-Llatas, un coautor del artículo.

Uno de los posibles diseños es un "anillo de almacenamiento" de 100 kilómetros de circunferencia con sede en el laboratorio CERN de Europa (sede del LHC circular de 27 kilómetros). Los haces de electrones y positrones circularían a través del anillo de almacenamiento continuamente y colisionarían repetidamente para producir los datos deseados. Un diseño alternativo consistiría en dos grandes aceleradores lineales que producen líneas rectas, Smashups frontales.

Los requisitos de energía para ambas configuraciones se acercan a los cientos de megavatios, Roser dijo:energía suficiente para alimentar a cientos de miles de hogares.

En un anillo de almacenamiento Roser señaló, mucha energía se pierde como radiación de "sincrotrón", un tipo de energía emitida por partículas cargadas a medida que cambian de dirección moviéndose alrededor del círculo (imagina la forma en que el agua sale de una toalla mojada si la giras por encima de tu cabeza). "Cuanto mayor sea la energía, cuanto mayor sea la pérdida de energía del sincrotrón, ", Dijo Roser, y es mayor la necesidad de compensar esa pérdida agregando más energía para mantener las partículas en colisión.

En un colisionador que usa aceleradores lineales, no se emite radiación de sincrotrón. Pero las vigas usadas se descartan después de una sola pasada por el acelerador. Eso significa que la energía del rayo, y también todas las partículas del haz, Esta perdido. Se necesita más energía para acelerar una y otra vez los rayos de partículas frescas.

Los físicos de Brookhaven y Stony Brook dicen que sus componentes ERL de recuperación de energía y reciclaje de haces podrían resolver problemas clave de ambos diseños alternativos. Como se describe en el nuevo documento, reduciría la energía eléctrica necesaria para operar la instalación en forma de anillo de 100 km que se está discutiendo en Europa a un tercio de lo que se requeriría sin un ERL. Y, refrescando los rayos de partículas mientras recuperan y reutilizan su energía, eliminaría la necesidad de volcar y reemplazar las vigas y, al mismo tiempo, permitiría colisiones de una sola pasada de partículas muy compactas para lograr el máximo impacto físico.

Reutilización de energía y reciclaje de vigas

El ERL estaría hecho de cavidades superconductoras de radiofrecuencia (SRF), y actuar como "un perpetuum-mobile de algún tipo inventado en la década de 1960 por Maury Tigner en la Universidad de Cornell, "explicó Vladimir Litvinenko, profesor de física en la Universidad de Stony Brook con un cargo conjunto en Brookhaven Lab. "La principal ventaja de las cavidades SRF es que consumen muy poca energía durante su funcionamiento. Están perfectamente adaptadas para acelerar nuevas partículas recuperando energía de las partículas usadas, " él explicó.

Para un colisionador e-e +, un ERL de múltiples pasadas aceleraría ambos conjuntos de partículas en etapas a una energía cada vez más alta cada vez que pasan a través del acelerador lineal SRF. Después de cada etapa de aceleración, las partículas atravesarían un túnel en forma de anillo de 100 kilómetros de regreso al acelerador lineal para la siguiente etapa de aceleración; los electrones se mueven en una dirección y los positrones en la otra dirección. Hacer que las partículas viajen alrededor de un camino circular tan grande ayuda a reducir la energía perdida como radiación de sincrotrón.

"Después de chocar con la energía superior, tanto los electrones como los positrones devolverían su energía al pasar por el mismo acelerador pero de manera desacelerada, "Dijo Litvinenko." Durante la desaceleración, la energía de las partículas se captura en las cavidades SRF para ser utilizada para acelerar el siguiente lote de partículas ".

En tono rimbombante, no solo la energía, sino también las propias partículas se reciclarían después de las colisiones. Los componentes de enfriamiento adicionales garantizarían que las partículas permanezcan compactas para mantener altas las tasas de colisión pero los requisitos de energía relativamente bajos.

"Al controlar la necesidad de energía y reutilizar las partículas en un colisionador e-e +, nuestro diseño permitiría a los científicos realizar investigaciones de vanguardia de manera sostenible, "Dijo Roser.