Protonen kunnen het brood en de boter van de Large Hadron Collider zijn, maar dat betekent niet dat het van tijd tot tijd niet kan hunkeren naar meer exotische smaken. Op woensdag, 25 juli, voor de allereerste keer, operators injecteerden niet alleen atoomkernen, maar lood "atomen" met een enkel elektron in de LHC. Dit was een van de eerste proof-of-principle tests voor een nieuw idee genaamd de Gamma Factory, onderdeel van CERN's Physics Beyond Colliders-project.

"We onderzoeken nieuwe ideeën over hoe we het huidige CERN-onderzoeksprogramma en -infrastructuur kunnen verbreden, " zegt Michaela Schaumann, een verantwoordelijke LHC-ingenieur. "Uitzoeken wat er mogelijk is, is de eerste stap."

Tijdens normaal bedrijf, de LHC produceert een gestage stroom van proton-protonbotsingen, slaat vervolgens ongeveer vier weken lang atoomkernen samen vlak voor de jaarlijkse winterstop. Maar een paar dagen per jaar, versnellerfysici kunnen tijdens perioden van machineontwikkeling iets geheel nieuws proberen. Eerder, ze versnelden xenon-kernen in de LHC en testten andere soorten gedeeltelijk gestripte loodionen in de SPS-versneller.

"Deze speciale LHC-run was echt de laatste stap in een reeks tests, " zegt natuurkundige Witold Krasny, die een studiegroep van ongeveer 50 wetenschappers coördineert om nieuwe manieren te ontwikkelen om hoogenergetische gammastraling te produceren.

Het versnellen van loodkernen met één overblijvend elektron kan een uitdaging zijn vanwege de kwetsbaarheid van deze atomen. "Het is heel gemakkelijk om per ongeluk het elektron te strippen, " legt Schaumann uit. "Als dat gebeurt, de kern crasht in de wand van de bundelpijp omdat zijn lading niet langer gesynchroniseerd is met het magnetische veld van de LHC."

Tijdens de eerste run, operators injecteerden 24 bundels "atomen" en bereikten ongeveer een uur lang een stabiele straal met lage energie in de LHC. Vervolgens brachten ze de LHC op volle kracht en hielden de straal ongeveer twee minuten vast voordat deze in de straaldump werd uitgeworpen. "Als er te veel deeltjes uit koers raken, de LHC dumpt de straal automatisch, " stelt Schaumann. "Onze belangrijkste prioriteit is het beschermen van de LHC en zijn magneten."

Nadat de magneten de herstartcyclus hebben doorlopen, Schaumann en haar collega's probeerden het opnieuw, dit keer met slechts zes trossen. Ze lieten de straal twee uur circuleren voordat ze hem opzettelijk dumpten.

"We voorspelden dat de levensduur van dit speciale soort straal in de LHC minstens 15 uur zou zijn, " zegt Krasny. "We waren verrast toen we hoorden dat de levensduur wel 40 uur kon bedragen. Nu is de vraag of we dezelfde levensduur van de bundel bij een hogere intensiteit kunnen behouden door de collimatorinstellingen te optimaliseren, die tijdens deze speciale run nog waren ingesteld voor protonen."

Natuurkundigen doen deze tests om te zien of de LHC ooit zou kunnen werken als een gammastralingsfabriek. In dit scenario, wetenschappers zouden de circulerende "atomen" met een laser beschieten, waardoor het elektron naar een hoger energieniveau springt. Als het elektron weer naar beneden valt, het spuugt een deeltje licht uit. In normale omstandigheden, dit lichtdeeltje zou niet erg energiek zijn, maar omdat het "atoom" al bijna met de lichtsnelheid beweegt, de energie van het uitgezonden foton wordt versterkt en de golflengte ervan wordt samengedrukt (vanwege het Doppler-effect).

Deze gammastralen zouden voldoende energie hebben om normale "materie"-deeltjes te produceren, zoals quarks, elektronen en zelfs muonen. Omdat materie en energie twee kanten van dezelfde medaille zijn, deze hoogenergetische gammastralen zouden transformeren in massieve deeltjes en zouden zelfs kunnen veranderen in nieuwe soorten materie, zoals donkere materie. Ze kunnen ook de bron zijn voor nieuwe soorten deeltjesbundels, zoals een muonstraal.

Ook al is dit nog ver weg, de tests van deze week waren een belangrijke eerste stap om te zien wat er mogelijk is.