p O caso de um novo acelerador de partículas ambicioso a ser construído nos Estados Unidos acaba de receber um grande impulso. p Hoje, as Academias Nacionais de Ciências, Engenharia, e a medicina endossou o desenvolvimento do Colisor de íons de elétrons, ou EIC. A facilidade proposta, consistindo em dois aceleradores que se cruzam, iria colidir feixes de prótons e elétrons viajando quase na velocidade da luz. Após cada colisão, os cientistas deveriam ver "instantâneos" das estruturas internas das partículas, muito parecido com uma tomografia computadorizada de átomos. A partir dessas imagens, os cientistas esperam reunir uma imagem multidimensional, com profundidade e clareza sem precedentes, dos quarks e glúons que unem os prótons e toda a matéria visível do universo.

p O EIC, se construído, avançaria significativamente o campo da cromodinâmica quântica, que busca responder a questões fundamentais da física, por exemplo, como quarks e glúons produzem a força forte - a "cola" que mantém toda a matéria unida. Se construído, o EIC seria a maior instalação aceleradora nos EUA e, no mundo todo, perdendo apenas para o Grande Colisor de Hádrons no CERN. Físicos do MIT, incluindo Richard Milner, professor de física no MIT, estiveram envolvidos desde o início na defesa do EIC.

p MIT News entrou em contato com Milner, membro do Centro de Física Teórica e do Laboratório de Ciência Nuclear do MIT, sobre a necessidade de um novo colisor de partículas e suas perspectivas no futuro.

p P:Conte-nos um pouco sobre a história desse design. O que foi necessário para justificar esse novo acelerador de partículas?

p R:O desenvolvimento do caso científico e técnico para o EIC está em andamento há cerca de duas décadas. Com o desenvolvimento da cromodinâmica quântica (QCD) na década de 1970 pelo professor de física do MIT Frank Wilczek e outros, os físicos nucleares há muito buscam preencher a lacuna entre a QCD e a teoria bem-sucedida dos núcleos com base em partículas observáveis ​​experimentalmente, onde os constituintes fundamentais são os quarks e glúons indetectáveis.

p Um colisor de alta energia com a capacidade de colidir elétrons com toda a gama de núcleos em altas taxas e ter os elétrons e núcleos polarizados foi identificado como a ferramenta essencial para construir essa ponte. O espalhamento de elétrons de alta energia a partir do próton foi como os quarks foram experimentalmente descobertos no SLAC no final dos anos 1960 (pelo professor de física do MIT Henry Kendall e Jerome Friedman e colegas), e é a técnica aceita sondar diretamente a estrutura fundamental do quark e do glúon da matéria.

p Um impulso inicial significativo para o EIC veio de físicos nucleares nas instalações de usuários da universidade na Universidade de Indiana e no MIT, bem como de físicos que buscam entender a origem do spin do próton, em laboratórios e universidades nos EUA e na Europa. Ao longo dos últimos três exercícios de planejamento de longo alcance por físicos nucleares dos EUA em 2002, 2007, e 2015, o caso do EIC amadureceu e se fortaleceu. Após o exercício de 2007, as duas principais instalações nucleares dos EUA, a saber, o Colisor de íons pesados ​​relativísticos do Laboratório Nacional de Brookhaven e a Instalação do Acelerador de Feixe de Elétrons Contínuos no Laboratório de Jefferson, assumiu um papel de liderança na coordenação de atividades EIC em toda a ampla comunidade QCD dos EUA. Isso levou à produção em 2012 de um resumo sucinto do caso da ciência, "Colisor elétron-íon:a próxima fronteira QCD (compreendendo a cola que nos une a todos)."

p O exercício de planejamento de 2015 estabeleceu o EIC como a maior prioridade para a construção de novas instalações na física nuclear dos EUA após o cumprimento dos compromissos atuais. Isso levou à formação de um comitê pela Academia Nacional de Ciências dos EUA (NAS) para avaliar o caso de ciência da EIC. O comitê da NAS deliberou por cerca de um ano e o relatório foi divulgado publicamente este mês.

p P:Dê-nos uma ideia de quão poderoso esse novo colisor será e que tipo de novas interações ele produzirá. Que tipo de fenômeno isso ajudará a explicar?

p R:O EIC será um novo acelerador poderoso e exclusivo que oferecerá uma janela sem precedentes para a estrutura fundamental da matéria. A taxa de colisão de elétron-íon no EIC será alta, mais de duas ordens de magnitude maior do que era possível no único colisor elétron-próton anterior, ou seja, HERA, que operava no laboratório DESY em Hamburgo, Alemanha, de 1992 a 2007. Com o EIC, os físicos serão capazes de imaginar os quarks e glúons virtuais que compõem os prótons, nêutrons, e núcleos, com resolução espacial e velocidade do obturador sem precedentes. O objetivo é fornecer imagens da estrutura fundamental do microcosmo que podem ser apreciadas amplamente pela humanidade:para responder a perguntas como, como é um próton? E como é um núcleo?

p Existem três questões científicas centrais que podem ser tratadas por um colisor de íons-elétrons. O primeiro objetivo é entender em detalhes os mecanismos dentro da QCD pelos quais a massa de prótons e nêutrons, e, portanto, a massa de toda a matéria visível no universo, é gerado. O problema é que, embora os glúons não tenham massa, e quarks são quase sem massa, os prótons e nêutrons que os contêm são pesados, constituindo a maior parte da massa visível do universo. A massa total de um nucleon é cerca de 100 vezes maior do que a massa dos vários quarks que ele contém.

p A segunda questão é entender a origem do momento angular intrínseco, ou gire, de núcleons, uma propriedade fundamental que fundamenta muitas aplicações práticas, incluindo imagens de ressonância magnética (MRI). Como o momento angular, tanto intrínseca quanto orbital, dos quarks e glúons internos dá origem ao conhecido spin do núcleo não é compreendido. E em terceiro lugar, a natureza dos glúons na matéria - isto é, seus arranjos ou estados - e os detalhes de como eles mantêm a matéria unida, não é bem conhecido. Os glúons na matéria são um pouco como a matéria escura do universo:invisíveis, mas desempenhando um papel crucial. Um colisor elétron-íon potencialmente revelaria novos estados resultantes do empacotamento próximo de muitos glúons dentro dos núcleos e núcleos. Essas questões são fundamentais para nossa compreensão da matéria no universo.

p P:Qual o papel do MIT neste projeto daqui para frente?

p R:No momento, mais de uma dúzia de professores do departamento de física do MIT lideram grupos de pesquisa no Laboratório de Ciência Nuclear que trabalham diretamente na compreensão da estrutura fundamental da matéria, conforme descrito pela QCD. É o maior grupo baseado em universidade nos EUA que trabalha com QCD. A investigação teórica está centrada no Centro de Física Teórica, e os experimentalistas confiam fortemente no Centro de Pesquisa e Engenharia de Bates para obter suporte técnico.

p Os teóricos do MIT estão realizando cálculos importantes usando os computadores mais poderosos do mundo para entender os aspectos fundamentais do QCD. Físicos experimentais do MIT estão conduzindo experimentos em instalações existentes, como BNL, CERN, e Jefferson Laboratory, para chegar a uma nova visão e desenvolver novas técnicas que serão utilizadas no EIC. Avançar, P&D em novas fontes polarizadas, detectores, e esquemas inovadores de aquisição de dados por cientistas e engenheiros do MIT estão em andamento. Prevê-se que estes esforços aumentem à medida que se aproxima a realização do EIC.

p Prevê-se que o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA iniciará em um futuro próximo o processo oficial para EIC pelo qual o governo dos EUA aprova, fundos, e constrói novos, grandes instalações científicas. Questões críticas são a seleção do site para EIC e a participação de usuários internacionais. Um grupo de usuários EIC foi formado com a participação de mais de 700 Ph.D. cientistas de mais de 160 laboratórios e universidades em todo o mundo. Se a realização do EIC seguir um cronograma comparável ao das grandes instalações anteriores, deve estar fazendo ciência por volta de 2030. O MIT tem uma longa história de liderança na física nuclear dos EUA e continuará a desempenhar um papel significativo à medida que avançamos no caminho para a EIC. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.