Alors que les physiciens élaboraient des plans pour la construction d'un collisionneur électron-ion (EIC) - une installation de physique nucléaire de nouvelle génération qui sera construite au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie pour la recherche en physique nucléaire - ils ont exploré diverses options pour accélérer les faisceaux d'électrons. Une approche, développé par des scientifiques du Brookhaven Lab et de l'Université Stony Brook, était d'utiliser un accélérateur linéaire à récupération d'énergie (ERL). L'ERL amènerait les électrons à l'énergie nécessaire pour sonder la structure interne des protons et des noyaux atomiques, puis décélérer les électrons et réutiliser la majeure partie de leur énergie. La R&D pour développer l'ERL innovant peut finir par avoir un impact majeur dans un autre domaine de la physique :la physique des particules de haute énergie, où les besoins en énergie rendent ses caractéristiques d'économie d'énergie particulièrement attrayantes.

« La consommation d'énergie des instruments scientifiques pour les expériences de physique des particules n'a cessé d'augmenter. Pour effectuer des recherches durables, les physiciens étudient des moyens de réduire cette consommation d'énergie, " dit Thomas Roser, chef du département collisionneur-accélérateur de Brookhaven Lab, l'un des scientifiques développant l'approche ERL.

Dans un article qui vient de paraître dans la revue Physique Lettres B , les auteurs décrivent comment leurs innovations pourraient maîtriser les besoins en énergie d'un collisionneur électron-positon (e-e+), une installation de recherche en physique des particules à haute énergie de nouvelle génération en cours de discussion pour une éventuelle construction future en Europe.

collision d'électrons et de positrons

La communauté de la physique des particules en est aux premiers stades de la planification d'un éventuel futur collisionneur électron-positon, y compris discuter de divers modèles et emplacements. Dans chacune de ces configurations, l'installation amènerait des faisceaux d'électrons chargés négativement (e-) en collision avec leurs homologues d'antimatière chargés positivement, appelés positons (e+), mener des études de précision sur les propriétés du boson de Higgs. C'est la particule découverte au Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe en 2012 qui est responsable de la transmission de masse à la plupart des particules fondamentales dans le modèle standard de la physique des particules.

"En savoir plus sur les propriétés et les interactions de la particule de Higgs avec d'autres particules aiderait les scientifiques à démêler le mécanisme derrière cette base importante du fonctionnement de notre univers, et peut-être découvrir des divergences qui indiquent l'existence de nouvelles particules ou « nouvelle physique, '", a déclaré Maria Chamizo-Llatas, physicienne de Brookhaven, un co-auteur sur le papier.

L'une des conceptions possibles est un "anneau de stockage" de 100 kilomètres de circonférence basé au laboratoire européen du CERN (qui abrite le LHC circulaire de 27 kilomètres). Des faisceaux d'électrons et de positons circuleraient à travers l'anneau de stockage en continu et entreraient en collision à plusieurs reprises pour produire les données souhaitées. Une conception alternative consisterait en deux grands accélérateurs linéaires qui produisent des lignes droites, smashups de front.

Les besoins en énergie pour ces deux configurations approchent des centaines de mégawatts, Roser a dit :assez d'énergie pour alimenter des centaines de milliers de foyers.

Dans un anneau de stockage, Roser a noté, beaucoup d'énergie se perd sous forme de rayonnement "synchrotron", un type d'énergie émise par des particules chargées lorsqu'elles changent de direction en se déplaçant autour du cercle (imaginez la façon dont l'eau pulvérise une serviette humide si vous la faites tourner au-dessus de votre tête). "Plus l'énergie est élevée, plus la perte d'énergie synchrotron est importante, " a déclaré Roser - et plus il est nécessaire de compenser cette perte en ajoutant plus d'énergie pour maintenir les particules en collision.

Dans un collisionneur utilisant des accélérateurs linéaires, aucun rayonnement synchrotron n'est émis. Mais les faisceaux utilisés sont jetés après un seul passage dans l'accélérateur. Cela signifie que l'énergie du faisceau, et aussi toutes les particules du faisceau, Sont perdus. Plus d'énergie est nécessaire pour accélérer encore et encore les faisceaux de particules fraîches.

Les physiciens de Brookhaven et Stony Brook affirment que leurs composants ERL de récupération d'énergie et de recyclage de faisceaux pourraient résoudre les problèmes clés des deux conceptions alternatives. Comme décrit dans le nouveau document, il réduirait la puissance électrique nécessaire au fonctionnement de l'installation annulaire de 100 km en discussion en Europe à un tiers de ce qui serait nécessaire sans BRE. Et, en rafraîchissant les faisceaux de particules tout en récupérant et en réutilisant leur énergie, cela éliminerait le besoin de vider et de remplacer les faisceaux tout en permettant des collisions en un seul passage de particules étroitement emballées pour un impact physique maximal.

Réutiliser l'énergie et recycler les poutres

L'ERL serait constitué de cavités supraconductrices à radiofréquence (SRF), et agir comme « un mobile perpétuel d'une sorte inventé dans les années 1960 par Maury Tigner à l'Université Cornell, " a expliqué Vladimir Litvinenko, professeur de physique à l'Université Stony Brook avec une nomination conjointe au Brookhaven Lab. « Le principal avantage des cavités SRF est qu'elles consomment très peu d'énergie en fonctionnement. Elles sont parfaitement adaptées pour accélérer de nouvelles particules en reprenant l'énergie des particules usagées, " il expliqua.

Pour un collisionneur e-e+, un ERL multi-passe accélérerait les deux ensembles de particules par étapes à une énergie de plus en plus élevée chaque fois qu'elles traversent l'accélérateur linéaire SRF. Après chaque étape d'accélération, les particules traverseraient un tunnel en forme d'anneau de 100 kilomètres jusqu'à l'accélérateur linéaire pour la prochaine étape d'accélération ; les électrons se déplacent dans un sens et les positons dans l'autre sens. Le fait que les particules se déplacent sur un si grand chemin circulaire aide à réduire l'énergie perdue sous forme de rayonnement synchrotron.

"Après avoir heurté l'énergie supérieure, les électrons et les positons rendraient leur énergie en passant par le même accélérateur mais en décélération, " dit Litvinenko. " Pendant la décélération, l'énergie des particules est capturée dans les cavités SRF pour être utilisée pour accélérer le prochain lot de particules."

Surtout, non seulement l'énergie mais aussi les particules elles-mêmes seraient recyclées après les collisions. Des composants de refroidissement supplémentaires garantiraient que les particules restent étroitement emballées pour maintenir des taux de collision élevés mais des besoins en énergie relativement faibles.

"En apprivoisant le besoin de puissance et en réutilisant les particules dans un collisionneur e-e+, notre conception permettrait aux scientifiques d'effectuer des recherches de pointe de manière durable, " dit Roser.