Amerikaanse versnellerfysici hebben een alternatieve benadering gepubliceerd voor de toekomstige FCC-elektronenbotser, een versneller van 100 kilometer omtrek, waarover de Europese deeltjesexperts momenteel praten. Die kan veel efficiënter met energie omgaan, denken ze.
Het voorstel inmiddels levert levendige discussies onder experts op in het kader van de nieuwe update van de Europese strategie voor de Europese deeltjesfysica. Dat schrijft het blad CERN Courier op de website.
Voor de 100 kilometer grote FCC-ee versneller werd in januari een 360 pagina’s dik ontwerprapport gepubliceerd, na een studie van vijf jaar door de internationale FCC-collaboratie. Een belangrijke afweging in de basisstudie was een zo laag mogelijk energieverbruik van de machine. De nieuwe Amerikaanse studie komt daarin tegemoet. De technieken worden al bestudeerd ten behoeve van toekomstige elektron-ion botsers en versnellers waarin elektronen en protonen botsen.
Het voorgestelde versnellingsschema maakt gebruik extra zogeheten Energy Recovery Linacs, ERL’s. Dat zijn lineaire versnellerdelen die voorkomen dat veel van de energie in de versneller direct weer verloren gaat als synchrotronstraling. Vergeleken met het basisschema verliest de elektronen-versneller daarmee tienmaal minder energie.
‘De ERL-versie van de FCC-ee bespaart niet alleen energie, maar kan bij intense bundels ook tot hogere energie komen, tot 600 GeV’, zegt Maria Chamizo-Llatas van Brookhaven National Laboratory. Zij is een van de auteurs van de ERL-voorstellen.
De energie van het basisontwerp voor de FCC-ee komt bij maximaal stroomverbruik tot een een botsingsenergie van 365 GeV, genoeg om top-quarks te produceren. Dat laatste geldt als een belangrijke eigenschap van nieuwe grotere versnellers.
Hogere energieën zijn niet haalbaar, omdat nog verder versnellen van elektronen in een ring van 100 kilometer extreem inefficiënt wordt door het ontstaan van synchrotronstraling als elektronen in een bocht bewegen.
Het idee voor de ERL stamt al uit de jaren ’60 van de vorige eeuw. Met speciale apparatuur wordt de bewegingsenergie van groepen deeltjes direct na de botsing in een detector teruggewonnen. De tragere deeltjes verliezen dan bij de cirkelbeweging relatief weinig energie. Daarna worden ze voor de volgende botsing juist extra versneld met de eerder teruggewonnen energie. De timing van dat proces is cruciaal om de kwaliteit ein eigenschappen van de bundel goed te beheerden. Het idee is nu pas technisch uitvoerbaar aan het worden, denken deskundigen.
In juni slaagde de Cornell-Brookhaven ERL Test Accelerator (CBETA) erin om de volledige energie van een deeltjesbundel terug te winnen. Eerder was het concept al aangetoond bij proeven in de VS en Engeland. Verdere experimenten worden voorbereid bij het PERLE-project in Orsay, Frankrijk.
In het nieuwe FCC-ee voorstel blijft de kwaliteit van de bundel goed door na iedere botsing de deeltjes af te remmen en te koelen is aparte opslagringen. Het gebruik van zogeheten Linacs maakt dat efficiënt, denken de ontwerpers. Uit de studie blijkt dat dankzij ERL’s bij een gegeven stroom veel intensievere bundels mogelijk zijn. Wel geven ze aan dat nog veel aanvullend onderzoek nodig zal zijn.
Het BNL-voorstel is zeker verleidelijk, zegt FCC-ee-adjunctprojectleider Frank Zimmermann van CERN. ‘ERL staat wereldwijd zeker in de belangstelling, maar de echte bruikbaarheid moet nog worden aangetoond. Ook moeten de mogelijk hoge kosten beter worden begrepen voordat deze benadering serieus kan worden overwogen.’
De nieuwe Europese deeltjesstrategie wordt volgend voorjaar vastgelegd in een nieuw document. Daarin wordt ondermeer ingegaan op de wetenschappelijke noodzaak van een nieuwe, grotere deeltjesversneller. De FCC-versneller van 100 kilometer in de regio bij het huidige CERN on Genève, is daar één van de opties. Ook andere versnellers worden overwogen, en bovendien hebben mogelijk ook Japan en China plannen.
De ERL-technologie voor de FCC-ee werd afgelopen week in Genève voor experts van alle CERN-lidstaten gepresenteerd. Deelnemer aan die ECFA-meeting, deeltjesfysicus Marcel Merk van Nikhef, noemt de ideeën interessant. ‘CERN moet hoe dan ook groener qua energieverbruik. Ik vind ERL een stap in de goed richting.’
