Les arguments en faveur de la construction d'un nouvel accélérateur de particules ambitieux aux États-Unis viennent d'être considérablement renforcés.

Aujourd'hui, les Académies nationales des sciences, Ingénierie, et la médecine ont approuvé le développement du collisionneur électron-ion, ou EIC. L'installation proposée, constitué de deux accélérateurs sécants, écraserait ensemble des faisceaux de protons et d'électrons voyageant à presque la vitesse de la lumière. Au lendemain de chaque collision, les scientifiques devraient voir des « instantanés » des structures internes des particules, un peu comme un scanner pour les atomes. A partir de ces images, les scientifiques espèrent reconstituer une image multidimensionnelle, avec une profondeur et une clarté sans précédent, des quarks et des gluons qui lient les protons et toute la matière visible de l'univers.

L'EIC, si construit, ferait avancer considérablement le domaine de la chromodynamique quantique, qui cherche à répondre à des questions fondamentales en physique, comme la façon dont les quarks et les gluons produisent la force puissante, la "colle" qui maintient toute la matière ensemble. S'il est construit, l'EIC serait la plus grande installation d'accélérateurs aux États-Unis et, à l'échelle mondiale, juste derrière le Grand collisionneur de hadrons du CERN. physiciens du MIT, dont Richard Milner, professeur de physique au MIT, ont été impliqués dès le début dans la défense de l'EIC.

MIT News s'est renseigné auprès de Milner, membre du Center for Theoretical Physics et du Laboratory for Nuclear Science du MIT, sur la nécessité d'un nouveau collisionneur de particules et ses perspectives d'avenir.

Q :Parlez-nous un peu de l'histoire de cette conception. Qu'a-t-il fallu pour plaider en faveur de ce nouvel accélérateur de particules ?

R :L'élaboration du dossier scientifique et technique de l'EIC est en cours depuis environ deux décennies. Avec le développement de la chromodynamique quantique (QCD) dans les années 1970 par le professeur de physique du MIT Frank Wilczek et d'autres, les physiciens nucléaires ont longtemps cherché à combler le fossé entre la CDQ et la théorie réussie des noyaux basée sur des particules observables expérimentalement, où les constituants fondamentaux sont les quarks et les gluons indétectables.

Un collisionneur à haute énergie capable de faire entrer en collision des électrons avec toute la gamme des noyaux à des taux élevés et de polariser les électrons et les nucléons a été identifié comme l'outil essentiel pour construire ce pont. C'est grâce à la diffusion d'électrons à haute énergie du proton que les quarks ont été découverts expérimentalement au SLAC à la fin des années 1960 (par la faculté de physique du MIT Henry Kendall et Jerome Friedman et leurs collègues), et c'est la technique acceptée pour sonder directement la structure fondamentale des quarks et des gluons de la matière.

L'impulsion initiale importante pour l'EIC est venue des physiciens nucléaires des installations universitaires de l'Université de l'Indiana et du MIT ainsi que des physiciens cherchant à comprendre l'origine du spin du proton, dans des laboratoires et des universités aux États-Unis et en Europe. Au cours des trois derniers exercices de planification à long terme par des physiciens nucléaires américains en 2002, 2007, et 2015, le cas de l'EIC a mûri et s'est renforcé. Après l'exercice 2007, les deux installations nucléaires phares des États-Unis, à savoir le collisionneur d'ions lourds relativistes du laboratoire national de Brookhaven et l'installation d'accélérateur de faisceau d'électrons continus du laboratoire Jefferson, a joué un rôle de chef de file dans la coordination des activités de l'EIC dans l'ensemble de la communauté QCD des États-Unis. Cela a conduit à la production en 2012 d'un résumé succinct du cas scientifique, "Electron-Ion Collider:The Next QCD Frontier (Comprendre la colle qui nous lie tous)."

L'exercice de planification de 2015 a établi l'EIC comme la plus haute priorité pour la construction de nouvelles installations de physique nucléaire aux États-Unis une fois les engagements actuels remplis. Cela a conduit à la formation d'un comité par l'Académie nationale des sciences des États-Unis (NAS) pour évaluer le cas scientifique de l'EIC. Le comité NAS a délibéré pendant environ un an et le rapport a été rendu public ce mois-ci.

Q :Donnez-nous une idée de la puissance de ce nouveau collisionneur et du type de nouvelles interactions qu'il produira. Quels types de phénomènes cela aidera-t-il à expliquer ?

R :L'EIC sera un nouvel accélérateur puissant et unique qui offrira une fenêtre sans précédent sur la structure fondamentale de la matière. Le taux de collision électron-ion à l'EIC sera élevé, plus de deux ordres de grandeur supérieur à ce qui était possible dans le seul collisionneur électron-proton précédent, à savoir HERA, qui fonctionnait au laboratoire DESY à Hambourg, Allemagne, de 1992 à 2007. Avec l'EIC, les physiciens pourront imager les quarks et gluons virtuels qui composent les protons, neutrons, et noyaux, avec une résolution spatiale et une vitesse d'obturation sans précédent. Un objectif est de fournir des images de la structure fondamentale du microcosme qui peuvent être largement appréciées par l'humanité :pour répondre à des questions telles que, à quoi ressemble un proton ? Et à quoi ressemble un noyau ?

Il y a trois problèmes scientifiques centraux qui peuvent être résolus par un collisionneur électron-ion. Le premier objectif est de comprendre en détail les mécanismes au sein de la CDQ par lesquels la masse des protons et des neutrons, et donc la masse de toute la matière visible dans l'univers, est généré. Le problème est que si les gluons n'ont pas de masse, et les quarks sont presque sans masse, les protons et les neutrons qui les contiennent sont lourds, constituant la majeure partie de la masse visible de l'univers. La masse totale d'un nucléon est environ 100 fois supérieure à la masse des différents quarks qu'il contient.

Le deuxième problème est de comprendre l'origine du moment cinétique intrinsèque, ou tourner, de nucléons, une propriété fondamentale qui sous-tend de nombreuses applications pratiques, dont l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Comment le moment cinétique, à la fois intrinsèque et orbital, des quarks et gluons internes donne lieu au spin du nucléon connu n'est pas compris. Et troisièmement, la nature des gluons dans la matière, c'est-à-dire leurs arrangements ou états - et les détails de la façon dont ils maintiennent la matière ensemble, n'est pas bien connu. Les gluons dans la matière sont un peu comme la matière noire dans l'univers :invisibles mais jouant un rôle crucial. Un collisionneur électron-ion révélerait potentiellement de nouveaux états résultant de l'entassement rapproché de nombreux gluons dans les nucléons et les noyaux. Ces questions sont fondamentales pour notre compréhension de la matière dans l'univers.

Q :Quel rôle le MIT aura-t-il dans ce projet à l'avenir ?

R : À l'heure actuelle, plus d'une douzaine de professeurs du département de physique du MIT dirigent des groupes de recherche au Laboratoire de sciences nucléaires qui travaillent directement sur la compréhension de la structure fondamentale de la matière telle que décrite par QCD. C'est le plus grand groupe universitaire aux États-Unis travaillant sur la CDQ. La recherche théorique est concentrée au Centre de physique théorique, et les expérimentateurs comptent beaucoup sur le centre de recherche et d'ingénierie Bates pour le soutien technique.

Les théoriciens du MIT effectuent des calculs importants en utilisant les ordinateurs les plus puissants au monde pour comprendre les aspects fondamentaux de la CDQ. Les physiciens expérimentateurs du MIT mènent des expériences dans des installations existantes, comme BNL, CERN, et le laboratoire Jefferson, pour atteindre de nouvelles perspectives et développer de nouvelles techniques qui seront utilisées à l'EIC. Plus loin, R&D sur de nouvelles sources polarisées, détecteurs, et des programmes innovants d'acquisition de données par des scientifiques et des ingénieurs du MIT sont en cours. Il est prévu que ces efforts s'intensifieront à mesure que la réalisation de l'EIC approche.

Il est prévu que le U.S. Department of Energy Office of Science initiera dans un proche avenir le processus officiel d'EIC par lequel le gouvernement américain approuve, fonds, et construit de nouveaux, grandes installations scientifiques. Les questions critiques sont la sélection du site pour l'EIC et la participation des utilisateurs internationaux. Un groupe d'utilisateurs EIC s'est formé avec la participation de plus de 700 doctorants. scientifiques de plus de 160 laboratoires et universités du monde entier. Si la réalisation de l'EIC suit un calendrier comparable à celui des grandes installations passées, il devrait faire de la science d'ici 2030 environ. Le MIT a une longue histoire de leadership dans le domaine de la physique nucléaire aux États-Unis et continuera de jouer un rôle important à mesure que nous progressons sur la voie de l'EIC.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.