Znajdź zawartość

Naukowcy z Brookhaven National Laboratory zbudowali i przetestowali spolaryzowane działo elektronowe pracujące przy najwyższym napięciu ze wszystkich tego typu urządzeń. Działo jest kluczowym elementem budowanego właśnie Zderzacza Elektron-Jon (EIC). W akceleratorze zderzane będą spolaryzowane elektrony ze spolaryzowanymi protonami i jonami, co pozwoli na badanie podstawowych cegiełek materii. Zadaniem wspomnianego na wstępie działa będzie dostarczanie strumienia cząstek do tunelu akceleratora o długości niemal 4 kilometrów. Przyspiesza ono elektrony od 0 do 80% prędkości światła na przestrzeni zaledwie 5 centymetrów. Oznacza to, że przyspieszenie od 0 do 863,4 milionów km/h następuje w ciągu 2 dziesięciomiliardowych części sekundy. Jednak nie prędkość tu jest najważniejsza, ta zostanie jeszcze zwiększona w tunelu akceleratora. Największym sukcesem jest możliwość wytwarzania w dziale strumieni cząstek o odpowiednich charakterystykach. Działo dostarcza niewielkich ściśle upakowanych pakietów elektronów, których spiny są w większości zwrócone w tym samym kierunku. To ta wielka gęstość upakowania powoduje, że zwiększa się prawdopodobieństwo doprowadzenia do zderzeń elektronów z protonami lub jonami, które w tunelu akceleratora pędzą w przeciwnym kierunku. Uzyskanie polaryzacji, czy uzgodnienia spinów cząstek, jest niezwykle ważne z punktu widzenia możliwości osiągnięcia celów naukowych akceleratora. Badanie pochodzenia zjawiska spinu to zresztą jeden z nich. Spin jest odpowiedzialny za strukturę i uporządkowanie materii. Wciąż jednak nie wiemy, jak on powstaje. EIC będzie pierwszym akceleratorem, w którym naukowcy mogą kontrolować spin zarówno elektronów, jak i jonów. To zaś powinno pozwolić na zmapowanie dystrybucji kwarków i gluonów w protonach i jądrach atomowych oraz zbadać strukturę protonu. Dzięki temu naukowcy mają nadzieję lepiej zrozumieć interakcje pomiędzy kwarkami a gluonami. Interakcje te zachodzą za pomocą oddziaływań silnych, które są najpotężniejszymi oddziaływaniami w naturze. Wysoce spolaryzowany strumień elektronów osiągnięto dzięki fotokatodzie z arsenku galu. Naukowcy ułożyli go w naprzemienne warstwy. To bardzo złożona wielowarstwowa struktura o grubości 100 nanometrów umieszczona na 0,4-milimetrowym podłożu, wyjaśnia fizyk Erdon Wang. Gdy światło lasera o odpowiednich proporcjach trafia w fotokatodę, opuszcza ją strumień elektronów o uzgodnionych spinach i odpowiednich właściwościach. Podczas testów nowe działo osiągnęło w ciągu 23 godzin napięcie 350 kV i pracowało bez przerwy przez kolejnych 6 miesięcy. Generowało pakiety składające się z 70 miliardów elektronów każdy. Badania jakości pokazały, że tak uzyskane elektrony mają wszystkie właściwości potrzebne do przeprowadzenia zderzeń. W ciągu dwóch lat testów napięcie zawsze było bardzo stabilne. Nasze działo elektronowe charakteryzuje się najwyższym napięciem i największą intensywnością spolaryzowanego strumienia elektronów, cieszy się Wang. Zderzacz Elektron-Jon powstaje w Brookhaven National Laboratory na bazie istniejącego tam Relativistic Heavy Ion Collider. Głównym elementem konstrukcji EIC będzie dodanie do RHIC dodatkowego pierścienia tak, by urządzenie składało się z dwóch krzyżujących się akceleratorów. W jednym z nich będą krążyły elektrony, w drugim protony lub jony. Koszt budowy nowego akceleratora ma wynieść 1,7–2,8 miliardów dolarów i jest to jedyny akcelerator zderzeniowy, jakiego budowa jest rozważana w USA w ciągu kolejnych 50 lat. W EIC ma dać odpowiedź na pytanie, skąd bierze się spin protonu oraz wyjaśnić właściwości gluonów. Obecnie bardzo słabo rozumiemy wewnętrzną strukturę protonów. Wiemy, że proton składa się z trzech kwarków połączonych oddziaływaniami silnymi. Jednak, jako że wkraczamy tutaj na pole fizyki kwantowej, pozostaje wiele niepewności. Wewnątrz protonu pojawiają się i znikają pary kwark-antykwark, ważną rolę odgrywają też gluony, łączące wszystko w całość. Jednak pozostaje jeszcze do wyjaśnienia wiele tajemnic. Na przykład trzy kwarki tworzące proton stanowią mniej niż 5% jego masy. Reszta masy pojawia się w jakiś sposób z energii wirtualnych kwarków i gluonów. Nie wiemy też, skąd się bierze spin protonu. Nie jest on prostą sumą spinów trzech kwarków. Znaczenie mają również gluony oraz orbitujące wokół siebie kwarki. Niewiele wiemy o samych gluonach. Zgodnie z niektórymi teoriami, łączą się one w pojedynczą falę kwantową. EIC znacznie bardziej nadaje się do tego typu badań, niż Wielki Zderzacz Hadronów, w którym protony zderzane są z protonami. W EIC wykorzystywane będą znacznie mniejsze od protonów elektrony, co da łatwiejsze do interpretacji wyniki. W pracach nad EIC biorą udział naukowcy z 8 polskich instytucji: Akademia Górniczo-Hutnicza, Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Politechnika Krakowska, Politechnika Warszawska, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Rzeszowski i Uniwersytet Warszawski, które utworzyły Konsorcjum „The Polish Electron-Ion Collider Group". W NCBJ od dawna prowadzone są badania teoretyczne nad oddziaływaniami silnymi, a Polacy należą do światowej czołówki ekspertów w tej dziedzinie. Przed trzema laty fizycy z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ – prof. dr hab. Lech Szymanowski, dr hab. Jakub Wagner i dr Paweł Sznajder pomogli stworzyć tzw. żółty raport EIC, w którym opisano oczekiwania dotyczące akceleratora i wskazano, jak należy go budować, by osiągnąć zakładane cele naukowe. « powrót do artykułu

Fizycy na całym świecie mają powody do radości. Komitet naukowy amerykańskich Narodowych Akademii Nauki, Inżynierii i Medycyny pozytywnie zaopiniował propozycje celów naukowych, które miałyby zostać osiągnięte dzięki budowie Electron-Ion Collider (EIC). Akcelerator, którego budowa ma pochłonąć miliard dolarów, pozwoli na badanie wnętrz protonów i neutronów. Opinia wydana przez Akademie Narodowe to ważny dokument, który pozwoli urzędnikom z Departamentu Energii uzasadnić wydatkowanie takiej kwoty na instrument naukowy. EIC ma powstać w jednym z konkurujących o niego laboratoriów narodowych. Może minąć jeszcze wiele lat, zanim budowa akceleratora dostanie zielone światło. W EIC ma dochodzić do zderzeń protonów z elektronami. Badanie wyników zderzeń pozwoli na poznanie struktury wewnętrznej protonu, ma dać odpowiedź na pytanie, skąd bierze się spin protonu oraz wyjaśnić właściwości gluonów. Obecnie bardzo słabo rozumiemy wewnętrzną strukturę protonów. Wiemy, że proton składa się z trzech kwarków połączonych oddziaływaniami silnymi. Jednak jako, że wkraczamy tutaj na pole fizyki kwantowej, pozostaje wiele niepewności. Wewnątrz protonu pojawiają się i znikają pary kwark-antykwark, ważny udział odgrywają też gluony, łączące wszystko w całość. Jednak pozostaje jeszcze do wyjaśnienia wiele tajemnic. Na przykład trzy kwarki tworzące proton stanowią mniej niż 5% jego masy. Reszta masy pojawia się w jakiś sposób z energii wirtualnych kwarków i gluonów. Nie wiemy też, skąd się bierze spin protonu. Nie jest on prostą sumą spinów trzech kwarków. Znaczenie mają też gluony oraz orbitujące wokół siebie kwarki. Niewiele wiemy też o gluonach. Zgodnie z niektórymi teoriami, łączą się one w pojedynczą falę kwantową. EIC znacznie bardziej nadaje się do tego typu badań, niż Wielki Zderzacz Hadronów, w którym protony zderzane są z protonami. W EIC wykorzystywane będą znacznie mniejsze od protonów elektrony, co da łatwiejsze do interpretacji wyniki. Gordon Baym, fizyk z University of Illinois i współprzewodniczący komitetu, który rozpatrywał projekt EIC, mówi, że akcelerator pozwoli na utrzymanie odpowiedniego poziomu naukowego amerykańskiej fizyce cząstek. To jedyny akcelerator zderzeniowy, jaki jest rozważany w USA w kontekście kolejnych 50 lat. Obecnie na świecie pracuje jedynie kilka akceleratorów zderzeniowych. Elektrony z pozytonami są zderzane w VEPP-5 (Nowosybirsk, Rosja), SuperKEKB (Tsukuba, Japonia), Dafne (Frascati, Włochy), BEPC II (Pekin, Chiny), natomiast jedyne zderzacze hadronów to RHIC (Nowy Jork, USA) i LHC (Francja/Szwajcaria). Naukowcy z laboratoriów, które konkurują o zbudowanie u siebie EIC mają różne pomysły na projekt akceleratora. Fizycy z Brookhaven National Laboratory, gdzie pracuje RHIC, proponują dodanie doń akceleratora elektronów i zmienienie Relativistic Heavy Ion Collider w EIC. Obecnie  RHIC zderza ze sobą ciężkie jądra atomów (np. złota), a w wyniku kolizji powstaje plazma kwarkowo-gluonowa, stan materii, który istniał bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Z kolei w Thomas Jefferson National Accelerator Facility pracuje rozbudowany niedawno Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), który bombarduje elektronami cele stacjonarne i bada protony, neutrony oraz jądra atomowe. Fizycy z Jeffersona chcieliby dodać do swojego urządzenia akcelerator jonów i zaminić je w EIC. Jako, że Jefferson Lab jest mniejszym laboratorium, znacznie bardziej wyspecjalizowanym w fizyce atomowej niż Brookhaven, jego długoterminowe przetrwanie może zależeć od tego, czy EIC powstanie właśnie tam. Donald Geesaman, fizyk z Argonne National Laboratory i były przewodniczący Nuclear Science Advisory Committee przy Departamencie Energii (DOE) zauważa, że biuro fizyki atomowej DOE, które w bieżącym roku podatkowym dysponuje budżetem w wysokości 684 milionów dolarów, utrzymuje za te pieniądze nie tylko RHIC i CEBAF, ale buduje też kosztem 730 milionów dolarów Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) na Michigan State University. Koniec budowy przewidziano na 2020 rok, a we FRIB mają powstawać jądra egzotycznych pierwiastków. Dlatego też, zdaniem Geesamana, nie należy spodziewać się szybkiego rozpoczęcia prac nad EIC. Dodatkowy czas przyda się też fizykom z Brookhaven i Jefferson. Na razie nie tyle konkurują oni ze sobą, co współpracują na polu badawczo-rozwojowym nad EIC. Żadne z laboratoriów nie jest bowiem gotowe, by już w tej chwili gościć nowy akcelerator. W latach 1992-2007 w Niemczech pracował akcelerator HERA. On również zderzał elektrony i protony. EIC będzie pracował z mniejszymi energiami niż HERA, ale by osiągnąć stawiane przed nim cele będzie musiał doprowadzać do zderzeń 100-1000 razy częściej niż HERA. To poważne wyzwanie technologiczne, stąd współpraca laboratoriów, które starają się o EIC. Dyrektorzy obu laboratoriów chwalą sobie tę współpracę. Jeśli jednak wszystko pójdzie po ich myśli, za jakiś czas ze współpracowników zamienią się w rywali. « powrót do artykułu