I protoni potrebbero essere il pane quotidiano del Large Hadron Collider, ma ciò non significa che non possa desiderare di tanto in tanto gusti più esotici. Di mercoledì, 25 luglio, per la prima volta, gli operatori hanno iniettato non solo nuclei atomici ma "atomi" di piombo contenenti un singolo elettrone nell'LHC. Questo è stato uno dei primi test di prova di principio per una nuova idea chiamata Gamma Factory, parte del progetto Physics Beyond Colliders del CERN.

"Stiamo studiando nuove idee su come ampliare l'attuale programma di ricerca e infrastruttura del CERN, "dice Michaela Schaumann, un ingegnere LHC in carica. "Scoprire cosa è possibile è il primo passo."

Durante il normale funzionamento, l'LHC produce un flusso costante di collisioni protone-protone, poi rompe insieme i nuclei atomici per circa quattro settimane appena prima della chiusura invernale annuale. Ma per una manciata di giorni all'anno, i fisici degli acceleratori possono provare qualcosa di completamente nuovo durante i periodi di sviluppo delle macchine. In precedenza, hanno accelerato i nuclei di xeno nell'LHC e testato altri tipi di ioni di piombo parzialmente spogliati nell'acceleratore SPS.

"Questa corsa speciale di LHC è stata davvero l'ultima tappa di una serie di test, "dice il fisico Witold Krasny, che sta coordinando un gruppo di studio di circa 50 scienziati per sviluppare nuovi modi per produrre raggi gamma ad alta energia.

L'accelerazione dei nuclei di piombo con un elettrone rimanente può essere difficile a causa della delicatezza di questi atomi. "È davvero facile strappare accidentalmente l'elettrone, " spiega Schaumann. "Quando ciò accade, il nucleo si schianta contro la parete del tubo del fascio perché la sua carica non è più sincronizzata con il campo magnetico di LHC".

Durante la prima corsa, gli operatori hanno iniettato 24 grappoli di "atomi" e hanno ottenuto un raggio stabile a bassa energia all'interno dell'LHC per circa un'ora. Hanno quindi portato l'LHC alla massima potenza e mantenuto il raggio per circa due minuti prima che venisse espulso nel dump del raggio. "Se troppe particelle vanno fuori rotta, l'LHC scarica automaticamente il raggio, " afferma Schaumann. "La nostra priorità principale è proteggere l'LHC ei suoi magneti".

Dopo aver eseguito i magneti attraverso il ciclo di riavvio, Schaumann e i suoi colleghi hanno provato di nuovo, questa volta con solo sei grappoli. Hanno fatto circolare il raggio per due ore prima di scaricarlo intenzionalmente.

"Avevamo previsto che la durata di questo tipo speciale di raggio all'interno dell'LHC sarebbe stata di almeno 15 ore, " dice Krasny. "Siamo rimasti sorpresi nell'apprendere che la durata potrebbe essere di circa 40 ore. Ora la domanda è se possiamo preservare la stessa durata del fascio a una maggiore intensità ottimizzando le impostazioni del collimatore, che erano ancora predisposti per i protoni durante questa corsa speciale."

I fisici stanno facendo questi test per vedere se l'LHC potrebbe un giorno funzionare come una fabbrica di raggi gamma. In questo scenario, gli scienziati avrebbero sparato agli "atomi" circolanti con un laser, facendo saltare l'elettrone in un livello di energia superiore. Quando l'elettrone ricade, sputa una particella di luce. In circostanze normali, questa particella di luce non sarebbe molto energetica, ma poiché l'"atomo" si sta già muovendo vicino alla velocità della luce, l'energia del fotone emesso viene potenziata e la sua lunghezza d'onda viene compressa (a causa dell'effetto Doppler).

Questi raggi gamma avrebbero energia sufficiente per produrre particelle normali di "materia", come i quark, elettroni e persino muoni. Perché materia ed energia sono due facce della stessa medaglia, questi raggi gamma ad alta energia si trasformerebbero in particelle massicce e potrebbero persino trasformarsi in nuovi tipi di materia, come la materia oscura. Potrebbero anche essere la fonte di nuovi tipi di fasci di particelle, come un raggio di muoni.

Anche se questo è ancora molto lontano, i test di questa settimana sono stati un primo passo importante per vedere cosa è possibile fare.