Het 'Gamma Factory-initiatief' - een internationaal team van wetenschappers - onderzoekt momenteel een nieuw onderzoeksinstrument:ze stellen voor een bron van gammastraling met hoge intensiteit te ontwikkelen met behulp van de bestaande versnellerfaciliteiten bij CERN. Om dit te doen, gespecialiseerde ionenbundels zullen worden gecirculeerd in de SPS- en LHC-opslagringen, die vervolgens met laserstralen worden aangeslagen zodat ze fotonen uitzenden. In de geselecteerde configuratie, de energieën van de fotonen zullen binnen het gammastralingsbereik van het elektromagnetische spectrum liggen. Dit is van bijzonder belang in verband met spectroscopische analyse van atoomkernen. Verder, de gammastralen zullen worden ontworpen om een ​​zeer hoge intensiteit te hebben, enkele ordes van grootte hoger dan die van de systemen die momenteel in bedrijf zijn. In het laatste nummer van het tijdschrift Annalen der Physik , de onderzoekers beweren dat een op deze manier gebouwde 'Gammafabriek' niet alleen doorbraken in spectroscopie mogelijk maakt, maar ook nieuwe manieren om fundamentele symmetrieën van de natuur te testen.

De kern van het voorstel van de Gamma Factory zijn speciale ionenbundels gemaakt van zware elementen zoals lood die zijn ontdaan van bijna alle elektronen in de buitenste schil. Een loodatoom heeft normaal gesproken 82 protonen in de kern en 82 elektronen in zijn schil. Als er nog maar één of twee elektronen over zijn, welke resultaten zijn zogenaamde 'gedeeltelijk gestripte ionen', kortweg PSI's. In de toekomstige instelling van Gamma Factory, ze zullen circuleren in een hoogenergetische opslagring, zoals de Super Proton Synchrotron (SPS) of de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN.

PSI's bieden unieke mogelijkheden voor het onderzoeken van verschillende fundamentele vragen in de moderne wetenschap. In de atoomfysica dienen ze als een soort minilaboratorium om te onderzoeken hoe systemen met weinig elektronen zich gedragen wanneer ze worden blootgesteld aan sterke elektromagnetische velden - die, in het geval van PSI's, worden geproduceerd door de atoomkernen zelf.

Het belangrijkste onderliggende concept van de Gamma Factory is om een ​​laserstraal frontaal te laten botsen met een versnelde PSI-straal. In het 'PSI-laboratorium', de invallende fotonen kunnen aangeslagen toestanden genereren door elektronen naar hogere banen te transporteren - dit vormt een ideaal testsysteem dat gedetailleerd onderzoek met atomaire spectroscopie (primaire bundelspectroscopie) zal vergemakkelijken. Beurtelings, de PSI's die door de laserstraal worden geëxciteerd, zenden zelf fotonen uit, die vervolgens kan worden gebruikt in tal van andere experimenten "buiten" het PSI-laboratorium (secundaire bundelspectroscopie). De resulterende gammastraalbundel zal worden gekenmerkt door hoge energieën tot 400 megaelektronvolt, wat overeenkomt met een golflengte van 3 femtometers. Ter vergelijking, de fotonenergie van zichtbaar licht is acht ordes van grootte kleiner, met een overeenkomstig grotere golflengte.

"De Gamma Factory die we voorstellen, biedt twee enorm opwindende vooruitzichten:aan de ene kant, het zal een zeer intense lichtbron zijn die gammastralen met hoge energie produceert op een zeer specifieke frequentieband; tegelijkertijd zal het fungeren als een gigantische ionenval waar we spectroscopie kunnen gebruiken om een ​​zeer nauwkeurig beeld te krijgen van de PSI's die in de opslagring circuleren, " legt prof. Dmitry Budker van het PRISMA+ Cluster of Excellence van de Universiteit Mainz en het Helmholtz Instituut Mainz en een van de auteurs van de recente publicatie uit. "In ons artikel, we beschrijven de vele mogelijkheden die de twee benaderingen bieden. Anderzijds, het is belangrijk om de huidige en toekomstige uitdagingen aan te gaan die gepaard gaan met het opzetten van een Gamma Factory als deze."

Voorbeelden van opwindende natuurkundige toepassingen van primaire bundelspectroscopie omvatten het meten van de effecten van atomaire pariteitsschending in PSI - het resultaat van zwakke interacties tussen subatomaire deeltjes - evenals detectie van de verdeling van neutronen in de kernen van de PSI. De aldus verkregen informatie zou een aanvulling vormen op enkele van de belangrijkste onderzoeksactiviteiten die in Mainz worden uitgevoerd. de secundaire, hoogenergetische gammastralen met nauwkeurig gecontroleerde polarisatie kunnen worden gebruikt in combinatie met 'vaste' gepolariseerde doelen, bijvoorbeeld, om de structuur van atoomkernen en kernreacties die relevant zijn voor astrofysica te onderzoeken. De secundaire gammastralen kunnen ook worden gebruikt om intense tertiaire stralen te genereren, bijvoorbeeld, die van neutronen, muonen of neutrino's.

Om de Gamma Factory optimaal te laten functioneren, zullen verschillende technologische uitdagingen moeten worden overwonnen. "Dus, bijvoorbeeld, we moeten leren laserkoeling van ultrarelativistische PSI uit te voeren om hun energiespreiding te verminderen en een goed gedefinieerde straal te verkrijgen, " merkt Dmitry Budker op. "Hoewel de laserkoeling van ionen bij lagere energieën al is onderzocht, bij GSI in Darmstadt bijvoorbeeld, het is nog niet uitgevoerd met zulke hoge energieën als die zullen worden geassocieerd met de Gamma Factory."

De Gammafabriek op CERN is niet langer een utopie, want in juli 2018, grote vooruitgang is geboekt van concept tot realiteit. De Gamma Factory-groep is er samen met de CERN-versnellerexperts in geslaagd om bundels waterstof- en heliumachtige loodionen enkele minuten in de SPS te laten circuleren. De waterstofachtige straal werd later in de LHC geïnjecteerd, waar het vervolgens enkele uren circuleerde. "De volgende cruciale stap is het uitvoeren van het speciale proof-of-principle-experiment bij CERN's SPS dat hopelijk het hele Gamma Factory-concept zal valideren, " concludeert Dmitry Budker, waarin de spannende volgende fase wordt geschetst. De Gammafabriek is een ambitieus voorstel, wordt momenteel onderzocht binnen het CERN-programma 'Physics beyond Colliders'.