Ny superlyskilde skulle give fascinerende indsigt i atomer

'Gamma Factory-initiativet' - et internationalt hold af videnskabsmænd - er i øjeblikket ved at udforske et nyt forskningsværktøj:De foreslår at udvikle en kilde til højintensive gammastråler ved hjælp af de eksisterende acceleratorfaciliteter på CERN. At gøre dette, specialiserede ionstråler vil blive cirkuleret i SPS- og LHC-lagringsringene, som så vil blive exciteret ved hjælp af laserstråler, så de udsender fotoner. I den valgte konfiguration, fotonernes energier vil være inden for det elektromagnetiske spektrums gammastrålingsområde. Dette er af særlig interesse i forbindelse med spektroskopisk analyse af atomkerner. Desuden, gammastrålerne vil blive designet til at have en meget høj intensitet, flere størrelsesordener højere end de systemer, der i øjeblikket er i drift. I det seneste nummer af tidsskriftet Annalen der Physik , forskerne hævder, at en 'Gamma Factory' konstrueret på denne måde ikke kun vil muliggøre gennembrud inden for spektroskopi, men også nye måder at teste grundlæggende symmetrier i naturen på.

Kernen i Gamma Factory-forslaget er specielle ionstråler lavet af tunge grundstoffer som bly, der er blevet strippet for næsten alle elektronerne i den ydre skal. Et blyatom har normalt 82 protoner i kernen og 82 elektroner i sin skal. Hvis der kun er en eller to elektroner tilbage, hvilke resultater er såkaldte 'delvist strippede ioner' - kort sagt PSI'er. I den potentielle Gamma Factory-indstilling, de vil cirkulere i en højenergi lagerring, såsom Super Proton Synchrotron (SPS) eller Large Hadron Collider (LHC) ved CERN.

PSI'er tilbyder unikke muligheder for at forske i forskellige grundlæggende spørgsmål i moderne videnskab. I atomfysik fungerer de som en slags mini-laboratorium for at undersøge, hvordan systemer med få elektroner opfører sig, når de udsættes for stærke elektromagnetiske felter - hvilket i tilfælde af PSI'er, produceres af atomkernerne selv.

Hovedkonceptet bag Gamma Factory er at få en laserstråle til at kollidere frontalt med en accelereret PSI-stråle. I 'PSI-laboratoriet', de indfaldende fotoner kan generere exciterede tilstande ved at transportere elektroner til højere baner - dette udgør et ideelt testsystem, der vil lette detaljerede undersøgelser ved hjælp af atomspektroskopi (primær strålespektroskopi). På tur, PSI'erne exciteret af laserstrålen selv udsender fotoner, som så kan bruges i talrige andre eksperimenter "uden for" PSI-laboratoriet (sekundær strålespektroskopi). Den resulterende gammastråle vil være karakteriseret ved høje energier på op til 400 megaelektronvolt, hvilket svarer til en bølgelængde på 3 femtometer. Til sammenligning, fotonenergien i synligt lys er otte størrelsesordener mindre, med en tilsvarende større bølgelængde.

"Gammafabrikken, som vi foreslår, byder på to uhyre spændende perspektiver:På den ene side, det vil være en meget intens lyskilde, som frembringer højenergi gammastråler ved et meget specifikt frekvensbånd; samtidig vil den fungere som en kæmpe ionfælde, hvor vi kan bruge spektroskopi til at få et meget præcist billede af PSI'erne, der cirkulerer i lagerringen, " forklarer prof. Dmitry Budker fra PRISMA+ Cluster of Excellence ved University Mainz og Helmholtz Institute Mainz og en af ​​forfatterne til den nylige publikation. "I vores artikel, vi beskriver de mange muligheder, som de to tilgange giver. På den anden side, det er vigtigt at tage fat på de nuværende og fremtidige udfordringer forbundet med at etablere en Gamma Factory som denne."

Eksempler på spændende fysikanvendelser af primær strålespektroskopi omfatter måling af virkningerne af atomparitetsbrud i PSI - resultatet af svage interaktioner mellem subatomære partikler - samt påvisning af fordelingen af ​​neutroner i kernerne i PSI. De således opnåede oplysninger ville supplere nogle af de vigtigste forskningsaktiviteter, der udføres i Mainz. Det sekundære, højenergi gammastråler med præcist kontrolleret polarisering kan bruges sammen med 'faste' polariserede mål, for eksempel, med henblik på at undersøge strukturen af ​​atomkerner samt nukleare reaktioner, der er relevante for astrofysik. De sekundære gammastråler kan også bruges til at generere intense tertiære stråler, for eksempel, dem af neutroner, muoner eller neutrinoer.

En række teknologiske udfordringer skal overvindes for at sikre den optimale drift af Gamma Factory. "Så, for eksempel, vi skal lære at udføre laserkøling af ultrarelativistisk PSI for at reducere deres energispredning og opnå en veldefineret stråle, " påpeger Dmitry Budker. "Mens laserafkøling af ioner ved lavere energier allerede er blevet undersøgt, på GSI i Darmstadt f.eks. det er endnu ikke blevet udført ved så høje energier som dem, der vil være forbundet med Gammafabrikken."

Gammafabrikken på CERN er ikke længere bare en drøm, fordi i juli 2018, store fremskridt blev gjort fra idé til virkelighed. Gamma Factory-gruppen formåede sammen med CERN-acceleratoreksperterne at få stråler af brint- og heliumlignende blyioner til at cirkulere i SPS i flere minutter. Den brintlignende stråle blev senere sprøjtet ind i LHC, hvor det så cirkulerede i flere timer. "Det næste afgørende skridt er at køre det dedikerede proof-of-principle-eksperiment på CERNs SPS, som forhåbentlig vil validere hele Gamma Factory-konceptet, " slutter Dmitry Budker, skitserer den spændende næste fase. Gammafabrikken er et ambitiøst forslag, i øjeblikket udforskes inden for CERN 'Physics beyond Colliders'-programmet.