一項(xiàng)具有里程碑意義的研究重新審視了美國(guó)能源部托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器設(shè)施(CEBAF)的性能。這項(xiàng)歷時(shí)數(shù)十年的開(kāi)創(chuàng)性研究，由杰斐遜實(shí)驗(yàn)室加速器高級(jí)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(jí)后的運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)其主要系統(tǒng)、子系統(tǒng)、功能和局限性提供了深入見(jiàn)解。
CEBAF，即連續(xù)電子束加速器設(shè)施，自1983年8月獲得國(guó)會(huì)批準(zhǔn)初始研究資金以來(lái)，已成為探索原子核的獨(dú)特機(jī)器。該加速器旨在通過(guò)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(guò)程中，CEBAF的設(shè)計(jì)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(duì)零度時(shí)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(lái)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(shí)驗(yàn)而不會(huì)使加速器過(guò)熱。
1993年12月，CEBAF完工，并于1995年開(kāi)始收集核物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。該加速器采用跑道式設(shè)計(jì)，周長(zhǎng)為7/8英里，電子束可以穿過(guò)機(jī)器多達(dá)五次，每次通過(guò)都會(huì)獲得額外的能量，然后被引導(dǎo)到實(shí)驗(yàn)大廳進(jìn)行研究。
隨著核物理學(xué)家對(duì)CEBAF能力的進(jìn)一步利用，他們?cè)?001年提出了升級(jí)該機(jī)器以實(shí)現(xiàn)新的核物理研究目標(biāo)的建議。2004年，美國(guó)能源部認(rèn)識(shí)到CEBAF升級(jí)的“任務(wù)需求”，并啟動(dòng)了耗資3.38億美元的12 GeV CEBAF升級(jí)項(xiàng)目。該項(xiàng)目于2012年5月啟動(dòng)，五年后于2017年秋季完工，使CEBAF的原始設(shè)計(jì)運(yùn)行能量增加三倍(從4 GeV增加到12 GeV)，并啟用了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)區(qū)(實(shí)驗(yàn)大廳D)。
升級(jí)完成后，克拉夫特和他的同事們?cè)俅螌?duì)這臺(tái)機(jī)器進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)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(yùn)行細(xì)節(jié)，提供了有關(guān)機(jī)器技術(shù)升級(jí)的信息，并對(duì)CEBAF在12 GeV下的加速器性能進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試。這篇論文成為美國(guó)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(duì)12 GeV CEBAF升級(jí)項(xiàng)目技術(shù)成果的總結(jié)，也是該項(xiàng)目最終實(shí)際表現(xiàn)的總結(jié)。我們希望它成為在CEBAF進(jìn)行測(cè)量的核物理學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)參考，因?yàn)樗峁┝诵录铀倨骷捌湫阅芴卣鞯耐暾枋觥?rdquo;
此外，該論文還涉及未來(lái)的可能性，提到了利用機(jī)器學(xué)習(xí)改善CEBAF操作的機(jī)會(huì)、開(kāi)發(fā)新的光子源，并提到了幾個(gè)主要的核物理項(xiàng)目。論文的作者多達(dá)100多人，涵蓋了所有對(duì)升級(jí)項(xiàng)目做出技術(shù)貢獻(xiàn)的人員。
這項(xiàng)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(lái)的核物理研究奠定了堅(jiān)實(shí)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。
