布鲁克海文国家实验室的凯伦·麦纽提·沃什 能量回收直线加速器(ERL)正负电子对撞机的可能布局
电子束和正电子将在四次通过两个超导直线加速器的过程中被分阶段加速，在每次加速通过后，以相反的方向穿过100公里圆周的环
当粒子达到最大能量(2500亿电子伏，或如插图所示的千兆电子伏)时，它们将在一个探测器(D2 D1)中发生碰撞
碰撞后，破碎的光束会在低能加速器环中减速和冷却，然后一遍又一遍地重复加速-碰撞-减速过程
学分:布鲁克海文国家实验室 随着物理学家制定建造电子离子对撞机(EIC)的计划——下一代核物理设施将在美国建造
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能源部的布鲁克海文核物理研究国家实验室——他们探索了加速电子束的各种选择
布鲁克海文实验室和石溪大学的科学家开发的一种方法是使用能量回收线性加速器(ERL)
ERL将把电子带到探测质子和原子核内部结构所需的能量，然后使电子减速并重新利用大部分能量
R&D开发的创新型ERL最终可能会在物理学的不同领域产生重大影响——高能粒子物理学，在该领域，电力需求使其节能特性特别有吸引力
“用于粒子物理实验的科学仪器的功耗稳步增加
为了进行可持续的研究，物理学家们正在研究降低能耗的方法，”布鲁克海文实验室对撞机-加速器部门的负责人托马斯·罗瑟说，他是开发ERL方法的科学家之一
在刚刚发表在《物理快报》杂志上的一篇论文中，作者描述了他们的创新如何满足电子-正电子(e-e+)对撞机的功率要求——这是一个正在讨论的下一代高能粒子物理研究设施，未来可能在欧洲建设
碰撞电子和正电子 粒子物理社区正处于规划未来可能的正负电子对撞机的早期阶段，包括讨论各种设计和位置
在其中的每一个装置中，该设备都会将带负电的电子(e-)束与带正电的反物质(e+)束碰撞，从而对希格斯玻色子的特性进行精确研究
这是2012年在欧洲大型强子对撞机(LHC)上发现的粒子，它负责给粒子物理标准模型中最基本的粒子赋予质量
“了解更多关于希格斯粒子的性质和与其他粒子的相互作用，将有助于科学家解开我们的宇宙是如何工作的这一重要基础背后的机制，并可能揭示指向新粒子或“新物理”存在的差异，”布鲁克海文物理学家玛丽亚·查米索-拉塔斯说，她是该论文的合著者
一种可能的设计是在欧洲粒子物理研究所实验室(27公里环形LHC的所在地)建立一个周长100公里的“储存环”
电子束和正电子束会不断地在储存环中循环，并反复碰撞以产生所需的数据
另一种设计是由两个大型直线加速器组成，它们可以产生直线的、迎面的加速器
罗塞尔说，这两种设置的电力需求都接近数百兆瓦，足以为成千上万的家庭供电
罗斯指出，在储存环中，大量能量以“同步加速器”辐射的形式丢失，同步加速器辐射是带电粒子在围绕圆圈移动时改变方向时发射的一种能量(想象一下，如果你在头顶上旋转毛巾，水会从湿毛巾上喷射出来)
“能量越高，同步加速器能量损失越大，”罗瑟说——通过增加更多能量来保持粒子碰撞来弥补损失的必要性也越大
在使用线性加速器的对撞机中，不会发出同步辐射
但是用过的光束在通过加速器一次后就被丢弃了
这意味着光束能量以及所有的光束粒子都损失了
需要更多的能量来不断加速新粒子束
布鲁克海文和石溪物理学家说，他们的能量回收和光束回收ERL组件可以解决两种替代设计的关键问题
正如在新的论文中所描述的，它将把欧洲正在讨论的100公里环形设施所需的电力削减到没有ERL时所需电力的三分之一
此外，通过在回收和再利用粒子束能量的同时更新粒子束，它将消除倾倒和替换粒子束的需要，同时仍然允许紧密堆积的粒子单程碰撞，以获得最大的物理影响
重复利用能量和回收光束 ERL将由超导射频(SRF)腔制成，并充当“康乃尔大学的毛里·蒂格纳在20世纪60年代发明的某种永久移动装置”，石溪大学的物理学教授弗拉基米尔·利特维年科解释说，他与布鲁克海文实验室有共同的任命
“固体火箭发动机腔体的主要优势在于，它们在工作时消耗的能量非常少
他们非常适合通过从用过的粒子中回收能量来加速新粒子，”他解释道
对于e-e+对撞机来说，一个多程ERL将在两组粒子每次通过固体火箭发动机直线加速器时，分阶段加速到越来越高的能量
在每一阶段的加速后，粒子将通过一个100公里长的环形隧道回到直线加速器进行下一阶段的加速；电子向一个方向运动，而正电子向另一个方向运动
让粒子围绕如此大的圆形路径运行有助于减少同步辐射的能量损失
利特维年科说:“在以最高能量碰撞后，电子和正电子都会通过相同的加速器以减速的方式回馈能量。”
“在减速过程中，粒子的能量被捕获在SRF腔中，用于加速下一批粒子
" 重要的是，碰撞后不仅能量而且粒子本身都会被回收
额外的冷却组件将确保粒子保持紧密堆积，以保持较高的碰撞率，但对功率的要求相对较低
“通过抑制能量需求和在e-e+对撞机中重复使用粒子，我们的设计将允许科学家以可持续的方式进行尖端研究，”罗斯说
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