Gli operatori dell'acceleratore possono eseguire incredibili acrobazie con fasci di particelle, più recentemente nel Super Proton Synchrotron (SPS), Il secondo più grande acceleratore del CERN. Per la prima volta, hanno iniettato con successo un fascio di particelle di xeno parzialmente ionizzate nell'SPS e l'hanno accelerato. Prima che fossero iniettati nell'SPS, questi atomi sono stati privati ​​di 39 dei loro 54 elettroni.

Durante la prima prova, avvenuta nel mese di settembre, il fascio è stato iniettato nell'anello SPS e fatto circolare per circa un secondo. Ora, il raggio è stato accelerato per la prima volta, raggiungendo un'energia di 81,6 gigaelettronvolt (GeV) per nucleone.

Ciò che rende questa prestazione così notevole è che questi fasci di atomi di xeno parzialmente ionizzati sono estremamente fragili e hanno una durata di vita molto breve. Se un atomo perde solo uno dei suoi 15 elettroni, cambia orbita e si perde. "Il vuoto dell'SPS non è così alto come quello dell'LHC. Le molecole di gas residuo presenti nella camera del vuoto disturbano il raggio, il che spiega perché si perde abbastanza velocemente, "dice Reyes Alemany, chi è responsabile dei test SPS. "Ma mantenere il raggio in funzione per un ciclo nell'SPS è già un risultato molto promettente!"

Allora perché i fisici degli acceleratori stanno sperimentando questi atomi? È per testare una nuova idea:una sorgente di raggi gamma ad alta intensità (fotoni con energie nell'intervallo dei megaelettronvolt (MeV)). Questa fabbrica gamma, come è noto, genererebbe fotoni fino a 400 MeV di energia e con intensità paragonabili a quelle dei sincrotroni o dei laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL). Gli XFEL producono fasci di raggi X ad alta intensità, ovvero fotoni di energia inferiore a circa 100 kiloelettronvolt (keV).

"Una fonte del genere aprirebbe la strada a studi mai fatti prima in fisica fondamentale, nei campi dell'elettrodinamica quantistica o della ricerca sulla materia oscura, " spiega Witold Krasny, un fisico del CNRS e associato del CERN che ha fondato il progetto e guida il gruppo di lavoro. "Apre anche le porte per applicazioni industriali e mediche". Potrebbe anche servire come banco di prova per una futura fabbrica di neutrini o un collisore di muoni.

Il principio è quello di accelerare gli atomi parzialmente ionizzati e poi eccitarli usando un laser. Quando tornano al loro stato stabile, gli atomi rilasciano fotoni ad alta energia.

Il team ha approfittato della presenza di xeno nel complesso dell'acceleratore per eseguire questo primo test senza interrompere gli altri programmi di fisica in corso. L'anno prossimo, durante la corsa agli ioni pesanti di LHC, il team ripeterà l'esperimento utilizzando atomi di piombo ionizzati, che sarà privato di tutti tranne uno o due elettroni. Quelle travi saranno molto più stabili; avere meno elettroni significa che gli atomi corrono meno rischi di perderli. Inoltre, i loro elettroni si trovano solo nel guscio "K", il più vicino al nucleo, e quindi hanno un legame più forte con il nucleo rispetto agli atomi di xeno. I fasci di ioni pesanti potrebbero essere accelerati prima nell'SPS e poi nell'LHC.

Il progetto della fabbrica gamma fa parte dello studio Physics Beyond Colliders, che è stato lanciato nel 2016 con l'obiettivo di studiare tutti i possibili esperimenti non collider, in particolare quelli che potrebbero essere realizzati utilizzando il complesso di acceleratori del CERN. Si prevede che centinaia di scienziati parteciperanno alla conferenza annuale Physics Beyond Colliders al CERN alla fine di novembre.