一項具有里程碑意義的研究重新審視了美國能源部托馬斯·杰斐遜國家加速器設(shè)施(CEBAF)的性能。這項歷時數(shù)十年的開創(chuàng)性研究，由杰斐遜實驗室加速器高級研究中心的知名人物杰弗里·克拉夫特牽頭，詳細(xì)記錄了CEBAF的原始和升級后的運行參數(shù)，并對其主要系統(tǒng)、子系統(tǒng)、功能和局限性提供了深入見解。
CEBAF，即連續(xù)電子束加速器設(shè)施，自1983年8月獲得國會批準(zhǔn)初始研究資金以來，已成為探索原子核的獨特機器。該加速器旨在通過加速電子束，使其與靶的質(zhì)子和中子相互作用，揭示這些粒子在普通物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和相互作用的細(xì)節(jié)。
在建設(shè)過程中，CEBAF的設(shè)計經(jīng)歷了根本性改變。1985年，該設(shè)施的第一任主管Hermann Grunder決定采用超導(dǎo)射頻(SRF)技術(shù)，這種技術(shù)基于鈮材料在冷卻到接近絕對零度時變成超導(dǎo)材料的特性。SRF加速器能夠使用鈮SRF加速器腔來推進(jìn)粒子束，熱量損失的能量要少得多，且可以幾乎連續(xù)地輸送光束，使研究人員能夠多次進(jìn)行相同的實驗而不會使加速器過熱。
1993年12月，CEBAF完工，并于1995年開始收集核物理實驗的數(shù)據(jù)。該加速器采用跑道式設(shè)計，周長為7/8英里，電子束可以穿過機器多達(dá)五次，每次通過都會獲得額外的能量，然后被引導(dǎo)到實驗大廳進(jìn)行研究。
隨著核物理學(xué)家對CEBAF能力的進(jìn)一步利用，他們在2001年提出了升級該機器以實現(xiàn)新的核物理研究目標(biāo)的建議。2004年，美國能源部認(rèn)識到CEBAF升級的“任務(wù)需求”，并啟動了耗資3.38億美元的12 GeV CEBAF升級項目。該項目于2012年5月啟動，五年后于2017年秋季完工，使CEBAF的原始設(shè)計運行能量增加三倍(從4 GeV增加到12 GeV)，并啟用了一個新的實驗區(qū)(實驗大廳D)。
升級完成后，克拉夫特和他的同事們再次對這臺機器進(jìn)行了基準(zhǔn)測試。他們發(fā)表了題為《12 GeV連續(xù)電子束加速器設(shè)施》的新論文，回顧了CEBAF的原始運行細(xì)節(jié)，提供了有關(guān)機器技術(shù)升級的信息，并對CEBAF在12 GeV下的加速器性能進(jìn)行了基準(zhǔn)測試。這篇論文成為美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施的便捷參考資料，該設(shè)施是全球1650多名核物理學(xué)家的研究基地。
克拉夫特表示：“這是對12 GeV CEBAF升級項目技術(shù)成果的總結(jié)，也是該項目最終實際表現(xiàn)的總結(jié)。我們希望它成為在CEBAF進(jìn)行測量的核物理學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)參考，因為它提供了新加速器及其性能特征的完整描述。”
此外，該論文還涉及未來的可能性，提到了利用機器學(xué)習(xí)改善CEBAF操作的機會、開發(fā)新的光子源，并提到了幾個主要的核物理項目。論文的作者多達(dá)100多人，涵蓋了所有對升級項目做出技術(shù)貢獻(xiàn)的人員。
這項研究不僅展示了CEBAF作為世界領(lǐng)先粒子加速器的卓越性能，也為未來的核物理研究奠定了堅實基礎(chǔ)。隨著CEBAF的不斷發(fā)展，我們期待它在揭示物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和相互作用的奧秘方面發(fā)揮更大作用。
