Uno studio di riferimento ha esaminato i parametri aggiornati e le capacità dell’acceleratore di particelle del Thomas Jefferson National Accelerator Facility (CEBAF) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, quattro decenni dopo la sua concezione. Questo studio innovativo, che ha richiesto decenni per essere completato, ha condotto un dettagliato re-benchmarking del principale acceleratore di particelle del Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Il documento dettaglia con precisione i parametri operativi originali e aggiornati dell’acceleratore, offrendo approfondite intuizioni sui suoi principali sistemi, sottosistemi, capacità e limitazioni. La ricerca è stata guidata da Geoffrey Krafft, una figura di spicco presso il Center for Advanced Studies of Accelerators del Jefferson Lab e direttore del suo Accelerator Education Program. Krafft, anche professore presso il Center for Accelerator Science dell’Old Dominion University, ha supervisionato la creazione di questo documento di 63 pagine, focalizzato sul rinomato Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) del Jefferson Lab.
“Nessun acceleratore come il CEBAF è mai stato costruito prima. Quindi, raccontare come è stato costruito e come funziona, non è banale”, ha dichiarato Krafft. Il CEBAF è una macchina unica progettata per esplorare il nucleo dell’atomo. Quarant’anni fa, nell’agosto 1983, il Congresso ha approvato i finanziamenti iniziali per la ricerca, lo sviluppo e il design del Continuous Electron Beam Accelerator Facility. L’obiettivo dell’acceleratore di particelle era fornire fasci di elettroni energetici per esperimenti di fisica nucleare. Ogni elettrone sarebbe stato inviato attraverso la macchina per essere accelerato, portato a velocità più elevate e riempito di energie aggiuntive fino a 4 miliardi di elettronvolt (4 GeV). Questi elettroni sarebbero poi stati inviati in un bersaglio, dove avrebbero interagito con i protoni e i neutroni del bersaglio per rivelare i dettagli delle strutture e delle interazioni di queste particelle all’interno della materia ordinaria.
Con il passare degli anni ’80 e la struttura che prendeva forma, divenne evidente che sarebbe stato un acceleratore di particelle senza precedenti. Nel 1985, il design della macchina subì una radicale trasformazione. Inizialmente previsto come un acceleratore lineare a base di rame a temperatura ambiente con un’energia operativa di 4 GeV, il primo direttore della struttura, Hermann Grunder, optò per un nuovo approccio: un acceleratore alimentato dalla tecnologia delle radiofrequenze superconduttive. Questo materiale, basato sul niobio, diventa superconduttore quando raffreddato vicino allo zero assoluto, consentendo agli acceleratori SRF di utilizzare cavità acceleratrici SRF in niobio per spingere i fasci di particelle con minor dispersione di energia sotto forma di calore.
La struttura procedette con il nuovo design e nel 1988 iniziarono i lavori di costruzione sul sito. Il CEBAF iniziò a prendere forma. La macchina fu completata nel dicembre 1993 con il posizionamento della sua ultima sezione di acceleratore, chiamata criomodulo. La macchina completa ospitava due criomoduli più un quarto nel sistema di iniezione della macchina, dove venivano formati i fasci di elettroni. Altri 40 di questi criomoduli erano allineati uno di seguito all’altro in due acceleratori lineari, collegati da due archi. Questo design ad anello lungo 7/8 di miglio consentiva agli elettroni di viaggiare attraverso la macchina fino a cinque volte, guadagnando energia ad ogni passaggio, prima di essere diretti in una sala sperimentale per la ricerca.
Entro il 1995, il CEBAF stava già raccogliendo dati per esperimenti di fisica nucleare, alcuni dei quali erano stati concepiti quasi due decenni prima. Meno di due anni dopo, tutte e tre le sale sperimentali del CEBAF – Sale A, B e C – erano operative. Krafft e i suoi colleghi scienziati degli acceleratori avevano raccolto abbastanza informazioni entro il 2001 per pubblicare un documento di riferimento sul CEBAF. Il Continuous Electron Beam Accelerator Facility: CEBAF presso il Jefferson Laboratory fu pubblicato nell’Annual Review of Nuclear and Particle Science e ha servito come risorsa per tutto ciò che riguarda il CEBAF da allora.
Con il passare degli anni, divenne evidente che era necessario aggiornare l’acceleratore per consentire nuovi obiettivi di ricerca in fisica nucleare. Nel 2004, il Dipartimento dell’Energia riconobbe la necessità di un aggiornamento del CEBAF. Il Progetto di Aggiornamento CEBAF da 12 GeV da 338 milioni di dollari triplicò l’energia operativa del design originale del CEBAF, commissionando una nuova area sperimentale (Sala Sperimentale D) e altri aggiornamenti per raggiungere l’energia aumentata. Il CEBAF fu chiuso nel maggio 2012 per la maggior parte del processo di aggiornamento e cinque anni dopo, il progetto di aggiornamento fu completato nell’autunno del 2017.
Dopo l’aggiornamento, Krafft e i suoi colleghi decisero di ricalibrare nuovamente la macchina. Il documento di riferimento The Continuous Electron Beam Accelerator Facility at 12 GeV, pubblicato di recente in Physical Review Accelerators and Beams, rivede i dettagli operativi originali del CEBAF, fornisce informazioni sugli aggiornamenti tecnici apportati alla macchina e ricalibra le prestazioni dell’acceleratore del CEBAF a 12 GeV. Questo articolo è ora un riferimento essenziale per i fisici nucleari che lavorano con il CEBAF, offrendo una panoramica dei successi tecnici del Progetto di Aggiornamento CEBAF da 12 GeV e delle prospettive future per migliorare le operazioni del CEBAF.
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