Les questions scientifiques auxquelles pourrait répondre un collisionneur électron-ion (EIC) - un accélérateur de particules à très grande échelle - sont importantes pour faire progresser notre compréhension des noyaux atomiques qui composent toute la matière visible dans l'univers, dit un nouveau rapport des National Academies of Sciences, Ingénierie, et Médecine. Au-delà de son impact sur la science nucléaire, les progrès rendus possibles par un EIC pourraient avoir des avantages considérables pour l'économie nationale axée sur la science et la technologie ainsi que pour maintenir le leadership américain en physique nucléaire et dans les technologies des collisionneurs et des accélérateurs.
Le département américain de l'Énergie (DOE) a demandé aux National Academies d'examiner l'importance scientifique d'un EIC, ainsi que les implications internationales de la construction d'une installation nationale d'EIC. Le comité qui a mené l'étude et rédigé le rapport a conclu que la science qui pourrait être abordée par un EIC est convaincante et fournirait des réponses insaisissables sur la nature de la matière. Un EIC permettrait aux scientifiques d'étudier où les quarks et les gluons, les minuscules particules qui composent les neutrons et les protons, sont situés à l'intérieur des protons et des neutrons, comment ils bougent, et comment ils interagissent ensemble. Alors que le fameux mécanisme de Higgs explique les masses des quarks, la partie la plus importante de la masse d'un proton ou d'un neutron provient de ses gluons et de leurs interactions. Les questions cruciales auxquelles un EIC répondrait comprennent l'origine de la masse des noyaux atomiques, l'origine du spin des neutrons et des protons, propriété fondamentale qui rend possible l'imagerie par résonance magnétique (IRM), comment les gluons maintiennent les noyaux ensemble, et s'il existe des formes émergentes de matière constituées de gluons denses.
Le rapport indique qu'une nouvelle installation d'accélérateur EIC aurait des capacités au-delà de toutes les anciennes machines de diffusion d'électrons aux États-Unis, L'Europe , et l'Asie. Des énergies et des luminosités élevées - la mesure de la vitesse à laquelle les collisions de particules se produisent - sont nécessaires pour atteindre la résolution fine requise, et pour atteindre de telles intensités et niveaux d'énergie, il faut un collisionneur où des faisceaux d'électrons se brisent en faisceaux de protons ou d'ions plus lourds. En comparant toutes les installations d'accélérateur existantes et proposées dans le monde, le comité a conclu qu'un EIC à haute énergie et luminosité, et des faisceaux d'électrons et d'ions hautement polarisés, serait unique et en mesure d'approfondir considérablement notre compréhension de la matière visible.
"Un EIC serait l'accélérateur le plus sophistiqué et le plus difficile actuellement proposé pour la construction aux États-Unis et ferait progresser considérablement la science des accélérateurs, et plus particulièrement la science et les technologies des collisionneurs, ici et dans le monde, " a déclaré le coprésident du comité Gordon Baym, Professeur émérite du Centre d'études avancées, George et Ann Fisher professeur émérite d'ingénierie, et professeur de recherche à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. "La réalisation d'un EIC est absolument cruciale pour maintenir la santé du domaine de la physique nucléaire aux États-Unis et ouvrirait de nouveaux domaines d'investigation scientifique."
Actuellement, le Brookhaven National Laboratory (BNL) à Long Island, New York, a un collisionneur d'ions lourds, et le Thomas Jefferson National Accelerator Laboratory (JLab) à Newport News, Virginie, a des faisceaux d'électrons très énergétiques. Les deux laboratoires ont proposé des concepts de conception pour un EIC qui utiliserait leur infrastructure déjà disponible, compétence, et expérience. Le rapport, sans privilégier l'un par rapport à l'autre, affirme que tirer parti des installations existantes rendrait le développement d'un EIC rentable et réduirait les risques associés à la construction d'un grand accélérateur. Bien que les deux laboratoires aient des conceptions bien développées pour un EIC, les deux nécessiteraient une R&D considérable pour répondre pleinement aux questions scientifiques impérieuses. Le rapport indique que les investissements en R&D du DOE ont été et continueront d'être cruciaux pour minimiser les risques de conception en temps opportun et pour relever les défis en suspens des accélérateurs.
Le comité a ajouté qu'en plus de faire progresser la science nucléaire, un EIC bénéficierait également à d'autres domaines tels que l'astrophysique, la physique des particules, physique des accélérateurs, et la modélisation théorique et informatique. Il jouerait également un rôle précieux dans le maintien de la main-d'œuvre américaine en physique nucléaire au cours des prochaines décennies. De plus, il aurait un rôle important dans l'avancement plus large des technologies qui résulteraient de la recherche et du développement entrepris dans la mise en œuvre et la construction d'un EIC aux États-Unis Le rapport souligne qu'un EIC est le seul collisionneur à haute énergie dont la construction est prévue dans les États-Unis actuellement, et la construction d'une telle installation maintiendrait le leadership des États-Unis dans la science des collisionneurs d'accélérateurs tout en bénéficiant aux sciences physiques.
« La science qu'un EIC permettrait de réaliser est tout simplement unique et assurerait le leadership des États-Unis dans le domaine de la science nucléaire ainsi que la science et la technologie des accélérateurs des collisionneurs du monde entier, " a déclaré la coprésidente du comité Ani Aprahamian, Professeur Freimann de physique nucléaire expérimentale à l'Université de Notre Dame.
