米国の核物理学者にとって次の夢のマシンは、今日、全米科学アカデミー、工学アカデミー、医学アカデミーからのレポートで重要な後押しを受けました。報告委員会は、陽子と中性子の内部を調査する 10 億ドル規模の加速器である、提案された電子イオン衝突型加速器 (EIC) で実行できる科学を熱烈に承認しました。この承認は、エネルギー省 (DOE) が EIC をホストするために競合する 2 つの国立研究所の 1 つに EIC を構築することを正当化するのに役立つはずですが、プロジェクトはおそらく数年間は承認されないでしょう。
インディアナ州サウスベンドにあるノートルダム大学の核物理学者であり、報告委員会の共同委員長であるアニ・アプラハミアンは、「私たちは基本的に『あなたは本当にこれをやらなければならない』と言っているのです.」と述べています.
陽子と中性子の内部構造は謎のままです。大雑把に言うと、陽子はクォークと呼ばれる 3 つの亜原子粒子で構成されており、強い核力によって束縛されています。実際には、陽子ははるかに複雑です。量子力学に固有の不確実性のため、その内部はクォークと反クォークのペアが仮想存在に出入りすることで渦巻いています。また、強い力を伝える量子粒子であるグルーオンも豊富です。混乱は非常に複雑であるため、陽子の基本的な特性でさえ説明されていません。たとえば、その 3 つのクォークはその質量の 5% 未満を占めており、残りは仮想クォークとグルオンのエネルギーから何らかの形で発生しています。
EIC は、電子ビームを陽子またはイオンのビームに吹き飛ばすことで、この謎と並行する謎、つまり陽子がどのようにスピンを得るかを解決するのに役立ちます。質量の場合と同様に、陽子のスピンは 3 つのクォークのスピンの単純な合計ではありません。また、グルオンと互いの周りを周回するクォークからの未知の寄与もあります。最後に、EIC はグルーオンの振る舞いを調べて、いわゆる緊急特性を調べることができます。たとえば、いくつかの理論では、陽子のグルオンが集まってレーザー光に少し似た単一の量子波になると予測しています。 EIC は、スイスのジュネーブ近くにある大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) のような陽子を陽子に粉砕する機械よりも、そのような研究に適しています。これは、電子が非常に小さい粒子であり、よりクリーンで解釈しやすい衝突を生成するためです、とアプラハミアンは言います。
アーバナにあるイリノイ大学の理論家であり、報告委員会の共同委員長であるゴードン・ベイムは、EIC はビームの衝突に関する米国の専門知識を維持するのに役立つだろうと述べています。 「今後50年ほどの間、米国で検討されている唯一のコライダーです」と彼は言います。現在、米国には 1999 年に完成したニューヨーク州アプトンのブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器 (RHIC) しかありません。
2 つの DOE 研究所の物理学者は、さまざまな方法で EIC を組み立てることを提案しています。ブルックヘブンでは、RHIC が金などの重い原子核を砕いて溶かし、クォーク グルーオン プラズマと呼ばれるスープを作ります。これは、ビッグバン直後の宇宙を満たしたものです。ブルックヘブンの物理学者は最終的に電子加速器を追加して RHIC を EIC に変換したいと考えています。
しかし、バージニア州ニューポート ニューズにあるトーマス ジェファーソン国立加速器施設 (ジェファーソン ラボ) は最近、連続電子ビーム加速器施設 (CEBAF) をアップグレードしました。この施設は、陽子、中性子、原子核を研究するために電子を固定ターゲットに発射します。 Jefferson Lab の研究者は、イオン加速器を追加して EIC を作成したいと考えています。ジェファーソン研究所は、ブルックヘブンよりも核物理に焦点を絞った小規模な施設であり、その長期的な存続は EIC の着陸にかかっている可能性があります。
このレポートは、2 つの研究所の提案を比較することは避けていますが、DOE 職員に EIC の科学的事例を提供しています。しかし、RHIC と CEBAF の運営に加えて、DOE の 6 億 8,400 万ドルの核物理部門は、イースト ランシングのミシガン州立大学に 7 億 3,000 万ドルをかけて希少同位体ビーム用の施設を建設中であり、2020 年の完成時にエキゾチック核を生成する予定です。イリノイ州レモントにあるアルゴンヌ国立研究所の核物理学者であり、DOE の原子力科学諮問委員会の元委員長である Donald Geesaman は、これらの施設を運用しているため、DOE はおそらくすぐに EIC を支払う余裕がなくなるだろうと述べています。
とにかく、Brookhaven と Jefferson Lab の提案は主要な技術的要件をまだ満たすことができないため、さらに時間がかかることは歓迎されるかもしれません。 1992 年から 2007 年にかけて、ドイツの物理学者はハドロン電子環加速器 (HERA) を実行しました。これも電子と陽子を衝突させ、グルオンを明らかにしました。 EIC は HERA よりも低いエネルギーで動作しますが、その目標を達成するには、高度に偏極した電子ビームと陽子ビームを 100 倍から 1000 倍高速で衝突させる必要があります。
今のところ、Brookhaven と Jefferson Lab の科学者は、競合するのではなく、R&D で協力しています。ジェファーソン研究所所長の Stuart Henderson 氏は、次のように述べています。 Brookhaven の所長である Doon Gibbs 氏は、「当面の目標は、両方のラボと歩調を合わせて道を歩み続けることです」と述べています。しかし、すべてがうまくいけば、2 つのラボの野心は最終的に衝突することになります。
