电子对撞机：粒子加速器的未来就在这里

电子对撞机(EIC)将探究当今存在的核物质的内部结构。与离子碰撞的电子将与核粒子交换虚拟光子，以帮助科学家“看见”核粒子内部。碰撞将产生普通核物质中夸克和胶子内部排列的精确3D快照，例如组合的CT / MRI原子扫描仪。电子可以从构成核的质子中“拾取”单个夸克。研究这些夸克如何重组形成复合粒子，将使我们了解相对论重离子对撞机(RHIC)研究的QGP如何演化出当今的可见物质。图片来源：布鲁克海文国家实验室

在电子对撞机的背后，没有浪费能量的绿色加速器和手性磁效应的结果在今年夏天首次亮相。

当电子离子对撞机于2020年1月获得批准时，它成为世界上任何地方工作中唯一的新型主要加速器。

“所有的恒星都对准了，”布鲁克海文国家实验室的工作人员，制定EIC计划的负责人Elke-Caroline Aschenauer说。“我们拥有建造这种独特的粒子加速器和检测器以进行测量的技术，再加上基础理论，可以首次为核物理中长期存在的基本问题提供答案。”

EIC并不是唯一一个有望重塑核物理和粒子物理的布鲁克海文项目。来自相对论重离子对撞机的即将出现的数据最终可以检测到难以捉摸的手性磁效应。同时，计划中的加速器可以利用可持续能源运行，这与当今的机器大相径庭。

在2021年APS四月会议期间的一次新闻发布会上，研究人员讨论了先进的加速器如何与能源消耗以及我们对物质本质的假设相冲突。

强大的核物理新设施

Aschenauer说：“ EIC的科学进步将帮助我们所有人了解我们的来源以及我们周围的可见物质是由其基本组成部分构成的。”

加速器和检测器将充当一种照相机，拍摄3D图像和电子与极化的质子和离子碰撞的电影。像用于原子的CT扫描仪一样，EIC将使科学家们看到携带力的胶子粒子如何将夸克，质子和中子的内部成分保持在一起。它还将提供对基本粒子旋转的见解。

Aschenauer将在EIC项目第一年(BNL和Thomas Jefferson国家加速器设施之间的合作)提供状态更新，并概述其实验设备。

手性磁效应(CME)的实验测量。在重离子碰撞中横穿束轴z的(xy)平面中强子角相关性模式的图示。CME在磁场的正负负电子发射中引起不对称性。图片来源：Dmitri E. Kharzeev和廖金凤/ Nature Reviews Physics

寻找手性磁效应

EIC将建立在相对论重离子对撞机的基础上，它将很快产生自己的重大成果。

在2021年夏季，数据分析可能会在一项寻找手性磁效应的决定性证据的实验中结束。这种拟议的效果有助于解释标准模型的许多基本特征，并可以解开为什么我们的宇宙包含比人类更重要的比反物质更多的物质。

印第安纳大学布卢明顿分校理论核物理学家廖金峰将分享有关该实验可能发现的关键预测。

廖说：“根据我们的理论研究预测，这些签名显示出明确的希望，可以在等压线碰撞实验中明确建立手性磁效应的存在。”

Liao和同事创建了一个基于流体动力学的自定义计算工具，用于模拟实验碰撞以及手性磁效应可能引起的任何变化。

他们表明，新实验比以前的尝试更有可能检测到这种效应，长期以来一直受弱信号和强烈背景污染困扰。这些预测发表在“物理评论快报”中。
 

动画显示了不同的能量粒子如何通过固定场交变线性梯度加速器移动。图片来源：斯蒂芬·布鲁克斯(Stephen Brooks)

大型绿色机器

探索深刻的亚原子问题需要巨大的力量。

康奈尔大学教授格奥尔格·霍夫斯塔特(Georg Hoffstaetter)说：“大型粒子加速器消耗的能量惊人得惊人。”

他将分享康奈尔-BNL测试加速器(CBETA)的结果，CBETA是世界上第一个通过重复利用束能量为自身提供动力的同时多次加速束的方法。通过超导和磁性设备，它进一步减少了电力需求。

启用测试加速器的Energy Recovery Linacs技术可能会导致具有更高束流的小型粒子加速器并降低能耗。

霍夫斯塔特说：“人们可以通过使用更好的计算机芯片，在用永久磁铁引导光束的放射治疗中心进行固化，或者吸入加速器产生的医学同位素，来从能量回收直线加速器的工业应用中受益。”

在测试加速器成功的基础上，其主要研究人员和Brookhaven高级物理学家Dejan Trbojevic将介绍一种新型绿色能源对撞机的设计。颗粒沿着由高质量永磁体形成的赛道束线加速，而无需使用电能。

“'绿色加速器'显示了一种全新的粒子加速方法，可以非常严格地控制粒子的运动并具有极高的能量范围。Trbojevic说。

他将演示EIC以及大型强子对撞机正在考虑的类似加速器如何整合节能功能。