Enquanto os físicos desenvolviam planos para construir um colisor de íons de elétrons (EIC) - uma instalação de física nuclear de próxima geração a ser construída no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA para pesquisas em física nuclear - eles exploraram várias opções para acelerar os feixes de elétrons. Uma abordagem, desenvolvido por cientistas do Brookhaven Lab e da Stony Brook University, era usar um acelerador linear de recuperação de energia (ERL). O ERL traria os elétrons até a energia necessária para sondar a estrutura interna dos prótons e núcleos atômicos, e então desacelerar os elétrons e reutilizar a maior parte de sua energia. O P&D para desenvolver o ERL inovador pode acabar tendo um grande impacto em uma área diferente da física - física de partículas de alta energia, onde as necessidades de energia tornam seus recursos de economia de energia particularmente atraentes.

"O consumo de energia de instrumentos científicos para experimentos de física de partículas tem aumentado constantemente. Para realizar pesquisas sustentáveis, físicos estão investigando maneiras de reduzir esse consumo de energia, "disse Thomas Roser, chefe do departamento de acelerador-colisor do Brookhaven Lab, um dos cientistas que desenvolveram a abordagem ERL.

Em um artigo publicado na revista Letras de Física B , os autores descrevem como suas inovações poderiam domar os requisitos de energia de um colisor elétron-pósitron (e-e +) - uma instalação de pesquisa de física de partículas de alta energia de próxima geração em discussão para possível construção futura na Europa.

Colidindo elétrons e pósitrons

A comunidade de física de partículas está nos estágios iniciais de planejamento para um possível colisor elétron-pósitron futuro, incluindo a discussão de vários projetos e locais. Em cada uma dessas configurações, a instalação traria feixes de elétrons carregados negativamente (e-) em colisões com suas contrapartes de antimatéria carregadas positivamente, conhecido como pósitrons (e +), para conduzir estudos de precisão das propriedades do bóson de Higgs. Essa é a partícula descoberta no Large Hadron Collider (LHC) na Europa em 2012 que é responsável por dar massa à maioria das partículas fundamentais no Modelo Padrão da física de partículas.

"Aprender mais sobre as propriedades da partícula de Higgs e as interações com outras partículas ajudaria os cientistas a desvendar o mecanismo por trás dessa importante base de funcionamento do nosso universo, e possivelmente descobrir discrepâncias que apontam para a existência de novas partículas ou 'nova física, '"disse a física de Brookhaven Maria Chamizo-Llatas, um co-autor no artigo.

Um dos projetos possíveis é um "anel de armazenamento" de 100 quilômetros de circunferência baseado no laboratório CERN da Europa (lar do LHC circular de 27 quilômetros). Feixes de elétrons e pósitrons circulariam através do anel de armazenamento continuamente e colidiriam repetidamente para produzir os dados desejados. Um projeto alternativo consistiria em dois grandes aceleradores lineares que produzem em linha reta, colisões frontais.

Os requisitos de energia para ambas as configurações estão se aproximando de centenas de megawatts, Roser disse - energia suficiente para abastecer centenas de milhares de casas.

Em um anel de armazenamento, Roser observou, muita energia é perdida como radiação "síncrotron", um tipo de energia emitida por partículas carregadas à medida que mudam de direção movendo-se ao redor do círculo (imagine a maneira como a água espirra de uma toalha molhada se você girá-la acima de sua cabeça). "Quanto maior a energia, quanto maior a perda de energia síncrotron, "Roser disse - e quanto maior a necessidade de compensar essa perda, adicionando mais energia para manter as partículas colidindo.

Em um colisor usando aceleradores lineares, nenhuma radiação síncrotron é emitida. Mas os feixes usados ​​são descartados após uma única passagem pelo acelerador. Isso significa que a energia do feixe, e também todas as partículas do feixe, estão perdidos. Mais energia é necessária para acelerar novos feixes de partículas continuamente.

Os físicos de Brookhaven e Stony Brook dizem que seus componentes ERL de recuperação de energia e reciclagem de feixe podem resolver os principais problemas de ambos os designs alternativos. Conforme descrito no novo artigo, cortaria a energia elétrica necessária para operar a instalação em forma de anel de 100 km em discussão na Europa para um terço do que seria necessário sem um ERL. E, atualizando feixes de partículas enquanto recupera e reutiliza sua energia, eliminaria a necessidade de despejar e substituir os feixes, ao mesmo tempo em que permitiria colisões de passagem única de partículas compactadas para máximo impacto físico.

Reutilização de energia e reciclagem de feixes

O ERL seria feito de cavidades supercondutoras de radiofrequência (SRF), e agir como "um perpétuo-móvel de algum tipo inventado na década de 1960 por Maury Tigner na Cornell University, "explicou Vladimir Litvinenko, um professor de física na Stony Brook University com uma nomeação conjunta no Brookhaven Lab. "A principal vantagem das cavidades SRF é que elas consomem muito pouca energia durante a operação. Elas são perfeitamente adequadas para acelerar novas partículas, retirando energia das partículas usadas, " ele explicou.

Para um colisor e-e +, um ERL de várias passagens aceleraria ambos os conjuntos de partículas em estágios para uma energia cada vez mais alta cada vez que eles passassem pelo acelerador linear SRF. Após cada estágio de aceleração, as partículas voariam por um túnel em forma de anel de 100 quilômetros de volta ao acelerador linear para o próximo estágio de aceleração; elétrons movendo-se em uma direção e pósitrons indo para outra. Fazer com que as partículas percorram um caminho circular tão grande ajuda a reduzir a energia perdida como radiação síncrotron.

"Depois de colidir na energia superior, ambos os elétrons e pósitrons devolveriam sua energia passando pelo mesmo acelerador, mas em desaceleração, "Litvinenko disse." Durante a desaceleração, a energia das partículas é capturada nas cavidades SRF para ser usada para acelerar o próximo lote de partículas. "

Mais importante, não apenas a energia, mas também as próprias partículas seriam recicladas após as colisões. Componentes de resfriamento adicionais garantiriam que as partículas permanecessem compactadas para manter as taxas de colisão altas, mas os requisitos de energia relativamente baixos.

"Controlando a necessidade de energia e reutilizando partículas em um colisor e-e +, nosso projeto permitiria aos cientistas realizar pesquisas de ponta de forma sustentável, "Roser disse.