El Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) está preparado para revolucionar nuestra comprensión de los reactores nucleares y sus fuerzas vinculantes.
Este cambio será liderado por el Colisionador de iones de electrones (EIC), un innovador acelerador de partículas construido en asociación con la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del DOE.
Al integrar tecnologías de vanguardia, el EIC promete desbloquear los misterios del mundo subatómico mientras avanza en el campo de la física de alta velocidad.
Una nueva era en Brookhaven: de RHIC a EIC
EIC se basa en el legado del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) de Brookhaven, que ha sido la piedra angular de la investigación en física de partículas durante más de dos décadas.
La transición al colisionador de iones de electrones implica renovar uno de los anillos aceleradores de iones del RHIC y agregar nuevos componentes, incluido un anillo acelerador de electrones, un anillo de almacenamiento e instrumentación avanzada.
Este diseño híbrido no sólo maximiza la reutilización de la infraestructura existente, sino que también allana el camino para niveles de precisión e innovación sin precedentes.
Aunque la fase operativa del RHIC ha finalizado, continúa sirviendo como banco de pruebas para que el EIC resuelva desafíos críticos de ingeniería y física. El programa Accelerator Physics Experiment (APEX) del RHIC ya ha proporcionado conocimientos críticos que han influido en el diseño del EIC.
Aumentar la tasa de colisiones
Uno de los principales objetivos del colisionador de iones de electrones es lograr una alta luminosidad, que es una medida de cuántas partículas chocan entre sí. Estas colisiones producen los datos necesarios para descubrimientos fundamentales sobre los componentes básicos de la materia.
En RHIC, el haz de iones tiene forma para aumentar la tasa de colisión en puntos de contacto específicos. Para EIC, los físicos están perfeccionando aún más este concepto alineando haces de protones e iones en formas similares a cintas.
Este método innovador aumenta la probabilidad de interacción con el haz de electrones entrante, aumentando así el rendimiento general del colisionador.
Mantener los haces de partículas fríos y compactos
Mantener los rayos «fríos» es esencial para lograr un alto brillo. Cuando las partículas se calientan, su movimiento se vuelve desordenado, lo que ralentiza la velocidad de expansión y colisión de la radiación. Para combatir esto, los científicos de Brookhaven utilizan una técnica de enfriamiento de electrones.
Al introducir haces de electrones relativamente fríos para viajar a lo largo de los haces de iones, eliminan el calor y anulan la repulsión natural entre iones cargados positivamente.
Para el colisionador de iones de electrones, este proceso de enfriamiento se ampliará y mejorará. Los científicos planean utilizar una sección de enfriamiento larga, alta intensidad de electrones y configuraciones avanzadas para mantener el haz de iones bien empaquetado y altamente eficiente.
Sincronizar y estabilizar trayectorias de partículas.
Uno de los desafíos únicos de EIC es sincronizar haces de electrones y protones, que viajan a diferentes velocidades dependiendo de sus niveles de energía.
Para garantizar que la colisión se produzca precisamente en el punto de contacto, los investigadores de Brookhaven han desarrollado un sistema magnético avanzado que ajusta dinámicamente la velocidad del haz de protones. Estos sistemas fueron probados rigurosamente durante el estudio APEX del RHIC, allanando el camino para una integración perfecta en el EIC.
La estabilidad es otro factor importante. A medida que el haz de iones completa miles de vueltas por segundo dentro del colisionador de iones de electrones, las interacciones con el entorno del acelerador pueden causar inestabilidad.
Para solucionar este problema, los científicos de Brookhaven han probado sistemas y revestimientos de amortiguación, como el carbono amorfo, que reducen las nubes de electrones no deseadas y la acumulación de calor.
Superar la interferencia magnética
El complejo diseño del EIC incluye tres anillos aceleradores separados: uno para los iones, otro para hacer colisionar los electrones y otro para acelerar los electrones hasta obtener energía de colisión.
Sin embargo, la interferencia magnética entre estos círculos creó un obstáculo potencial. A través de los experimentos APEX, los investigadores descubrieron que acelerar los electrones a energías más altas antes de inyectarlos en el EIC reduce esta interferencia.
Este hallazgo se ha incorporado al diseño del generador, garantizando un funcionamiento fluido en todos los niveles de energía.
Descubriendo el secreto de los neutrones
Si bien el Colisionador de Iones y Electrones está diseñado principalmente para sondear protones, los investigadores también están interesados en explorar la estructura de los neutrones, un componente clave del núcleo atómico.
Como los neutrones no tienen carga eléctrica y no pueden acelerarse directamente, el EIC utilizará núcleos simples como el helio-3 para estudiar las propiedades de los neutrones.
Experimentos recientes en el RHIC probaron formas de medir la polarización de los núcleos de helio-3, un paso clave para comprender el espín de los neutrones. Estos estudios han mejorado la instrumentación y las técnicas que se implementarán en el colisionador de iones de electrones.
Aplicación de inteligencia artificial para la optimización de EIC
La inteligencia artificial (IA) está desempeñando un papel cada vez más importante en el avance de la física de alta velocidad. En RHIC, los investigadores utilizaron el aprendizaje automático para optimizar los parámetros del haz y eliminar el movimiento de las partículas, sentando las bases para mejoras de rendimiento impulsadas por la IA en el colisionador de iones de electrones. Estas técnicas prometen acelerar las operaciones y aumentar la productividad científica del planeta.
EIC: Construyendo el futuro de la ciencia
A medida que el Laboratorio Nacional Brookhaven pasa del RHIC al Colisionador de iones de electrones, se sitúa a la vanguardia de la innovación científica.
La EIC no sólo mejorará nuestra comprensión de la energía nuclear, sino que también inspirará a una nueva generación de científicos e ingenieros a ampliar los límites de la tecnología y el conocimiento.
Con trabajos de construcción y experimentos básicos en el horizonte, el EIC promete abrir una nueva era de descubrimientos.