Les physiciens nucléaires sont maintenant prêts à se lancer dans un nouveau voyage de découverte des éléments constitutifs fondamentaux du noyau de l'atome. L'achèvement du projet de mise à niveau de 12 GeV de l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continu (CEBAF) à l'installation d'accélérateur national Thomas Jefferson du ministère de l'Énergie (Jefferson Lab) annonce cette nouvelle ère pour imager les noyaux à leur niveau le plus profond.

Les capacités uniques du CEBAF nouvellement mis à niveau repoussent les limites de la frontière de la précision toujours plus profondément au cœur de la matière et permettent une gamme complète d'opportunités de recherche. Terminé dans les temps et dans le budget, la mise à niveau de 338 millions de dollars a triplé l'énergie de fonctionnement d'origine du CEBAF et a commandé une nouvelle zone expérimentale dédiée à la compréhension de l'un des grands mystères de l'univers :pourquoi les constituants fondamentaux de la matière, quarks, ne peut jamais être trouvé isolément. Les trois zones expérimentales existantes ont également été améliorées pour permettre l'imagerie 3D des quarks dans les noyaux et pour faciliter les recherches uniques de nouvelle physique.

L'achèvement du projet fait suite à la mise en service réussie des deux dernières zones expérimentales au printemps. Le personnel de Jefferson Lab a ensuite travaillé avec diligence pour installer et mettre en service le dernier, pièces d'équipement individuelles nécessaires au fonctionnement complet dans chacun de ses quatre halls d'expérimentation. Une fois ce travail terminé, le laboratoire a reçu une notification officielle du DOE mercredi, 27 septembre, de l'approbation formelle de la décision critique 4 (CD-4), Approuver l'achèvement du projet et le début des opérations.

« Les capacités avancées de l'accélérateur et des détecteurs CEBAF améliorés pour rechercher de nouvelles particules exotiques, les écarts par rapport aux symétries de la nature, et les détails du comportement des quarks à l'intérieur des noyaux à une échelle auparavant inaccessible promettent un tournant vraiment passionnant pour la découverte scientifique, " a déclaré le Dr Tim Hallman, Directeur associé pour la physique nucléaire au Bureau des sciences du DOE.

« L'équipe du projet de mise à niveau du CEBAF à 12 GeV est ravie de conclure avec succès ce projet complexe, " dit Allison Lung, Directeur de la planification du Jefferson Lab et directeur du projet de mise à niveau du CEBAF à 12 GeV. "Ce moment est l'aboutissement du dévouement et du travail acharné de centaines de membres du personnel du Jefferson Lab, Utilisateurs, et sous-traitants."

CEBAF, une installation utilisateur du Bureau des sciences, est l'accélérateur de particules le plus avancé au monde pour étudier la structure des quarks du noyau de l'atome. Basé sur la technologie des radiofréquences supraconductrices (SRF), l'accélérateur produit un flux d'électrons chargés que les scientifiques utilisent pour sonder le noyau de l'atome, ses protons et neutrons, et leurs quarks et gluons. Ses faisceaux d'électrons à plus haute énergie fournissent les sondes les plus propres de la matière nucléaire aux intensités les plus élevées jamais atteintes, permettant des expériences de précision qui étaient autrefois considérées comme hors de notre portée pour approfondir notre compréhension de la matière nucléaire.

L'accélérateur CEBAF a été conçu à l'origine pour fournir des électrons à des énergies de 4 milliards d'électrons-volts, ou 4 GeV, bien que l'efficacité de sa conception et sa vaste expérience dans l'exploitation de l'installation aient permis aux opérateurs du Jefferson Lab d'obtenir finalement des faisceaux d'électrons de 6 GeV dans sa configuration d'origine. Les 338 millions de dollars, Le projet pluriannuel de mise à niveau du CEBAF à 12 GeV a triplé l'énergie d'exploitation initiale du CEBAF.

Le projet a entraîné l'ajout de 10 nouvelles unités d'accélération au CEBAF pour augmenter son énergie, la construction d'un quatrième hall d'expérimentation, ainsi qu'un arc d'aimants supplémentaire et une extension du tunnel de l'accélérateur pour délivrer le faisceau au hall. En outre, d'autres mises à niveau des services publics et de l'équipement ont été effectuées, y compris un ajout à l'usine de réfrigération qui permet à la technologie SRF du CEBAF et aux équipements nouveaux et améliorés des halls d'expérimentation existants de capitaliser sur les faisceaux d'électrons plus énergétiques pour les expériences.

Le CEBAF peut désormais livrer ses faisceaux d'électrons à pleine énergie, jusqu'à 12 GeV, au complexe du Hall D, et jusqu'à 11 GeV de faisceaux d'électrons dans ses zones expérimentales d'origine, Salles A, B et C.

"Le genre de recherche que nous poursuivons explore les mystères les plus fondamentaux, " a déclaré Lung. " Et l'achèvement de la mise à niveau ouvre la voie à la reprise du programme scientifique du Jefferson Lab pour de bon, avec des capacités étendues qui permettront un aperçu sans précédent au cœur de la matière."

Le CEBAF nouvellement mis à niveau permet un programme d'expériences diversifié et convaincant proposé par le laboratoire 1, Communauté de 500 membres de scientifiques qui viennent au Jefferson Lab du monde entier pour mener leurs recherches.

« Les scientifiques qui comptent sur nos installations pour fournir les capacités dont ils ont besoin pour mener des recherches révolutionnaires sont la raison pour laquelle nous sommes ici, " a déclaré Stuart Henderson, Directeur du laboratoire Jefferson. " Jefferson Lab entre dans une nouvelle ère passionnante de découvertes scientifiques, alimenté par la mise à niveau de 12 GeV et les recherches qu'elle permettra, au nom de nos Utilisateurs et du DOE."

"Il s'agit d'une occasion capitale rencontrée avec une grande excitation suite aux préparatifs approfondis de l'ensemble de notre communauté de scientifiques, post-doctorants et Ph.D. étudiants, " dit Krishna Kumar, professeur à l'Université Stonybrook et président du conseil d'administration du Jefferson Lab Users Group, qui représente les scientifiques qui mènent leurs recherches au Jefferson Lab. « Nous pouvons désormais déployer tout l'arsenal de capacités uniques du CEBAF amélioré pour effectuer des mesures avec une précision et une exactitude qui ne seraient pas possibles ailleurs dans le monde et ainsi faire de nouvelles découvertes sur les forces parmi les éléments constitutifs fondamentaux de la matière. »

Avec la machine améliorée, les scientifiques vont sonder comment les quarks interagissent, comment ils tournent, et comment ils sont distribués à l'intérieur des protons et des neutrons. Les sondes énergétiques et les faisceaux de précision du CEBAF permettront les premières vues tridimensionnelles de la structure des protons et des neutrons. Et les chercheurs ont déjà lancé des études révolutionnaires sur la force forte, la force qui colle la matière ensemble, dans la toute dernière salle d'expérimentation du laboratoire.

Les scientifiques utiliseront également le CEBAF pour repousser les limites de notre compréhension du modèle standard de la physique des particules, une théorie qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions en termes de forte, forces faibles et électromagnétiques. Le CEBAF sonde le Modèle Standard de deux manières :en testant ses prédictions sur la structure des protons et des neutrons, et aussi en testant sa complétude avec des mesures de haute précision à basse énergie, où les divergences pourraient révéler des signatures de nouvelles formes de matière.

L'extension de la portée expérimentale du CEBAF au cœur de la matière a suscité l'intérêt et l'enthousiasme des chercheurs du monde entier. La communauté d'utilisateurs du laboratoire est passée de 1, 200 dans l'ère de mise à niveau pré-12 GeV à plus de 1, 500 aujourd'hui. Jusqu'ici, 78 expériences ont été approuvées pour fonctionner avec le CEBAF amélioré à 12 GeV. De celles, quatre expériences ont déjà été réalisées lors de la mise en service et de la montée en puissance initiales de l'installation. Il est actuellement prévu que le CEBAF commence ses opérations complètes en décembre.

Le projet de mise à niveau du CEBAF à 12 GeV a débuté en 2004, lorsque le DOE a reconnu qu'il comblait un « besoin de mission » dans le domaine de la physique nucléaire avec l'approbation de Critical Decision Zero (CD-0). Cette approbation du processus de décision critique a permis au laboratoire de procéder à la conception, et la planification de l'acquisition et de l'exécution du projet. Les efforts d'ingénierie et de conception du projet ont commencé en 2006, puis finalisation de la définition du projet en 2007, démarrage de la construction en 2008 et approbation des premières opérations en 2014.

Le CEBAF est le microscope le plus puissant au monde pour l'étude du noyau de l'atome. L'accélérateur CEBAF est refroidi à quelques degrés près du zéro absolu pour permettre à ses composants supraconducteurs. Si ce n'était pas supraconducteur, il faudrait trois fois plus de puissance pour fonctionner, et les performances seraient considérablement réduites. La masse d'un objet augmente à mesure que sa vitesse augmente, donc à 12 milliards d'électron-Volts (12 GeV), les électrons du faisceau CEBAF augmentent de masse 23, 500 fois.