Avec l'introduction de la CBETA, l'accélérateur de test ERL de Cornell-Brookhaven, Les scientifiques de l'Université Cornell et du Laboratoire national de Brookhaven suivent le concept d'accélérateurs de particules à récupération d'énergie introduit pour la première fois par le physicien Maury Tigner à Cornell il y a plus de 50 ans.

Le CBETA teste deux technologies d'économie d'énergie pour les accélérateurs :la récupération d'énergie et les aimants permanents. Un linac de récupération d'énergie (ERL) comme le CBETA récupère l'énergie d'un faisceau d'électrons usagé au lieu de la rejeter après l'expérience. L'énergie récupérée est utilisée pour accélérer le prochain faisceau de particules, créant un faisceau d'électrons qui peut être utilisé pour de nombreux domaines de recherche. Les faisceaux sont accélérés par des unités de radiofréquence supraconductrice (SRF), une autre technologie écoénergétique mise au point à Cornell.

En utilisant des aimants permanents, la puissance qui est habituellement nécessaire pour diriger le faisceau avec des électro-aimants est économisée. Alors que les linacs de récupération d'énergie et les aimants fixes sont utilisés ailleurs, jamais auparavant un groupe n'avait été capable de diriger simultanément quatre faisceaux de particules d'énergies différentes en utilisant des aimants fixes à travers un ERL.

Imaginez quatre voitures roulant à des vitesses différentes dans un virage. La physique impliquée est différente pour chaque voiture :l'une doit tourner exceptionnellement fort à une vitesse plus élevée par opposition à une autre qui voyage à une vitesse beaucoup plus faible. Cela est également vrai pour les particules d'énergie différente dans le tube du faisceau. Des aimants permanents à gradients alternés permettent de diriger chaque particule d'énergie différente au sein d'une même chambre de 120 mm de large.

Bien que cette méthode recycle l'énergie, il crée aussi des faisceaux beaucoup plus puissants :ils sont plus étroitement liés, peut produire un rayonnement plus brillant et plus cohérent, peut avoir des courants plus élevés, et peut produire une luminosité plus élevée dans les expériences de collision de faisceaux.

"Le procédé ERL a été inventé à l'Université Cornell il y a 50 ans, et avoir sa première démonstration dans un SRF ERL multi-tours montre la tradition forte et continue de Cornell dans ce domaine de recherche, " dit Georg Hoffstaetter, Cornell professeur de physique et chercheur principal du CBETA.

Combinant des composants d'accélérateur record du monde construits par Cornell avec la technologie d'aimant permanent développée par le Brookhaven National Laboratory (BNL) du département américain de l'Énergie, la collaboration CBETA vise à révolutionner la façon dont les accélérateurs sont construits.

La mission globale du CBETA est de développer un prototype pour eRHIC, un collisionneur électron-ion de 2,4 milles de long proposé pour être construit à BNL sur Long Island, New York.

Environ deux douzaines de scientifiques du BNL et du Laboratoire de Cornell pour les sciences et l'éducation basées sur les accélérateurs (CLASSE) collaborent au projet. Ils effectuent des tests initiaux et prévoient d'achever l'installation de CBETA d'ici l'été 2019. Ils testeront et mettront en service le prototype pour eRHIC d'ici le printemps 2020.

Plus de 30, 000 accélérateurs fonctionnent dans le monde. Ce prototype du BRE a des implications de grande envergure pour la biologie, la chimie et une foule d'autres disciplines. Les ERL ne sont pas seulement envisagés pour les collisionneurs nucléaires et de physique des particules élémentaires, comme dans eRHIC et le LHeC au CERN en Suisse, mais aussi comme sources de rayons X cohérentes pour la recherche fondamentale, fins industrielles et médicales.

« Les accélérateurs linéaires existants ont une qualité de faisceau supérieure par rapport aux grands accélérateurs circulaires, " dit Hoffstaeter. " Cependant, ils sont extrêmement inutiles en raison du fait que le faisceau est jeté après utilisation et ne peuvent donc avoir qu'un courant extrêmement faible par rapport aux accélérateurs en anneau. Cela limite la quantité de données recueillies au cours d'une expérience. Un ERL comme le CBETA résout le problème de la qualité du faisceau bas dans les anneaux et du faible courant du faisceau dans les accélérateurs linéaires, tout en économisant de l'énergie par rapport à leurs prédécesseurs."

Les composants les plus complexes du CBETA existent déjà au Wilson Lab :la source d'électrons DC, le linac supraconducteur à injecteurs radiofréquence (SRF), le cryomodule ERL principal et l'arrêt de faisceau haute puissance. Ils ont été conçus, construit et commandé en 10 ans de financement de la National Science Foundation.

a dit Karl Smolenski, ingénieur en chef pour le développement de Cornell ERL : « Si nous réussissons, ce sera une grande chose pour la science et l'industrie. Tant de départements et de scientifiques différents pourront utiliser cette technologie. Cela nous mettra également en tête dans le monde concurrentiel. »