На ЦЕРН фізики планують створити фабрику гамма-випромінювання. У ній промінь сильно пришвидшених іонів тяжких елементів обстрілюють високоенергетичним лазерним променем. Це спровокує не лише специфічний атомний стан, а й екстремально інтенсивне та високо енергетичне гамма-випромінювання, що суттєво перевершує те, яке можливе сьогодні. Так науковці змогли б отримати цілком новий погляд на структуру та поведінку атома.
Зображення: nach CERN/ Maximilien Brice.
Великий адронний колайдер (ВАК) на ЦЕРН – найпотужніший у світі прискорювач частинок та інструмент, за допомогою якого виявили бозони Гіґґса. Крім того, завдяки зіткненню протонів у колі завдовжки 27 кілометрів відкрили й інші екзотичні частинки – наприклад, тетракварки та пентакварки, а також отримали перші докази асиметричності матерії й антиматерії.
З 2027 року планують новий етап розбудови прискорювача, так званий Великий адронний колайдер високої світності (High Luminosity Large Hadron Collider), що мав би уможливити ще вищу енергію та нові відкриття. Але що буде потім? Зараз у міжнародній спільноті фізиків обговорюють чимало проєктів-наступників ВАК. Один із них – Майбутній кільцевий колайдер (Future Circular Collider): коло пришвидшення завдовжки 100 кілометрів на ЦЕРН. Але з 2040 року можливий і лінійний прискорювач. Водночас у програмі Physics Beyond Colliders («Фізика за межами колайдерів») говорять про те, як можна потім використовувати сьогодні наявні кола прискорення на ЦЕРН – ВАК та Протонний суперсинхротрон (SPS).
Пропозиція – створити гамма-фабрику: «Впродовж десятиліть лазери й пастки для атомів та іонів були корисним інструментом атомної фізики, – пояснили Дмитрій Будкер (Dmitry Budker) з Майнцького університету та його колеги. – Гамма-фабрика – це два в одному: джерело світла, що як лазер надає майже монохроматичні енергетичні фотони, а також деякі гігантські іонні пастки, в яких тяжкі іони можна досліджувати спектроскопічно».
У такому приладі можна створювати високо сфокусоване гамма-випромінювання з енергією до 400 мегаелектронних вольт. Тобто ці фотони будуть у 100 мільйонів разів енергетичніші, ніж видиме світло. «Інтенсивність цього випромінювання становитиме до 1017 фотонів за секунду – це на кілька порядків вище, ніж усі сучасні світлові джерела в цьому цікавому діапазоні, – сказали фізики. – Це може надати змогу здійснювати новаторські експерименти та нові тестування фундаментальної симетрії в природі».
Конкретно гамма-фабрика складається з променя тяжких атомів – наприклад, свинцю, який майже не має електронів у зовнішній оболонці. Ці «частково голі іони» («partially stripped ions») – особливо перспективні об’єкти для дослідження нюансів атомної структури. Іонне випромінювання підводитимуть до одного з кіл пришвидшення ВАК або SPS і прискорюватимуть майже до швидкості світла.
«Головна ідея полягає в тому, щоб цей промінь ралятивістських іонів спереду обстрілювати лазерним випромінюванням», – пояснили вчені. Ця колізія світла та матерії стимулюватиме ті нечисленні електрони, що залишилися в іоні, і дасть змогу досліджувати їхню структуру через спектроскопію. Паралельно зі свого боку стимульовані іони відправлятимуть фотони, що становитиме інтенсивне та енергетичне гамма-випромінювання «фабрики».
Першу спробу гамма-фабрики науковці здійснили ще в липні 2018 року. Для цього вони спочатку поміщали іони свинцю з одним або двома електронами в SPS-коло, і вони там крутилися кілька хвилин. Потім вчені вводили попередньо прискорений іонний промінь у ВАК та втримували його впродовж 40 годин.
«Наступний вирішальний крок – спеціальний експеримент для "Proof-of-Principle" в SPS, що може перевірити весь концепт гамма-фабрики», – пояснив Будкер. Для цього потрібно відповісти на кілька викликів. «Наприклад, ми ще мусимо навчитися керувати ультрарелятивістськими іонами (PSI) за допомогою лазерного охолодження, щоби зменшити поширення енергії та отримати чіткий промінь», – пояснив Будкер. За такої високої енергії, яку планують для гамма-фабрики, це поки неможливо. Також ще потрібно випробувати техніку калібрування іонної енергії.
«Гамма-фабрика – це унікальна альтернатива сучасним рентгенівським хвилям, а також Європейському рентгенівському лазеру на вільних електронах (XFEL) та експериментам синхротона», – пояснюють Будкер та його колеги. Таким приладами можна, зокрема, ближче дослідити розклад складових атомного ядра або слабку ядерну силу, що втримує атомне ядро і контролює реакцію розпаду. За допомогою гамма-випромінювання можна продукувати також випромінювання нейтронів, мюонів або нейтрино.
«З часів Галілея нові інструменти розширили наші горизонти і стали можливими нові унікальні відкриття природи та космосу, – констатували вчені. – Ми віримо, що гамма-фабрика також може стати інструментом, який змінить парадигму». Все ж поки вона – це тільки пропозиція. Чи втілять її у життя, буде видно.
Nadja Podbregar
Physiker planen Gamma-Fabrik am CERN
Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 24/07/2020
Зреферувала С.К.
08.08.2020