L'"iniziativa Gamma Factory", un team internazionale di scienziati, sta attualmente esplorando un nuovo strumento di ricerca:propongono di sviluppare una fonte di raggi gamma ad alta intensità utilizzando le strutture dell'acceleratore esistenti al CERN. Per fare questo, fasci di ioni specializzati saranno fatti circolare negli anelli di accumulo di SPS e LHC, che verranno poi eccitati mediante raggi laser in modo che emettano fotoni. Nella configurazione selezionata, le energie dei fotoni saranno all'interno della gamma di radiazioni gamma dello spettro elettromagnetico. Questo è di particolare interesse in connessione con l'analisi spettroscopica dei nuclei atomici. Per di più, i raggi gamma saranno progettati per avere un'intensità molto elevata, diversi ordini di grandezza superiori a quelli degli impianti attualmente in esercizio. Nell'ultimo numero della rivista Annalen der Physik , i ricercatori affermano che una "fabbrica gamma" costruita in questo modo consentirà non solo scoperte nella spettroscopia, ma anche nuovi modi di testare le simmetrie fondamentali della natura.

Al centro della proposta Gamma Factory ci sono speciali fasci di ioni fatti di elementi pesanti come il piombo a cui sono stati privati ​​di quasi tutti gli elettroni nel guscio esterno. Un atomo di piombo ha normalmente 82 protoni nel nucleo e 82 elettroni nel suo guscio. Se rimangono solo uno o due elettroni, quali risultati sono i cosiddetti "ioni parzialmente spogliati", in breve PSI. Nell'impostazione di fabbrica Gamma potenziale, circoleranno in un anello di accumulo ad alta energia, come il Super Proton Synchrotron (SPS) o il Large Hadron Collider (LHC) al CERN.

I PSI offrono opportunità uniche per la ricerca di varie questioni fondamentali nella scienza moderna. In fisica atomica servono come una sorta di mini-laboratorio per studiare come si comportano i sistemi con pochi elettroni quando sono esposti a forti campi elettromagnetici, che, nel caso di PSI, sono prodotti dai nuclei atomici stessi.

Il concetto principale alla base della Gamma Factory è quello di far collidere frontalmente un raggio laser con un raggio PSI accelerato. Nel 'laboratorio PSI', i fotoni incidenti possono generare stati eccitati trasportando elettroni su orbite più alte:questo costituisce un sistema di test ideale che faciliterà indagini dettagliate utilizzando la spettroscopia atomica (spettroscopia a fascio primario). A sua volta, gli stessi PSI eccitati dal raggio laser emettono fotoni, che può poi essere utilizzato in numerosi altri esperimenti "fuori" dal laboratorio PSI (spettroscopia a fascio secondario). Il fascio di raggi gamma risultante sarà caratterizzato da alte energie fino a 400 megaelettronvolt, che corrisponde a una lunghezza d'onda di 3 femtometri. A titolo di confronto, l'energia del fotone della luce visibile è otto ordini di grandezza più piccola, con una lunghezza d'onda corrispondentemente maggiore.

"La Gamma Factory che vi proponiamo offre due prospettive immensamente entusiasmanti:da un lato, sarà una sorgente luminosa molto intensa che produce raggi gamma ad alta energia in una banda di frequenze molto specifica; allo stesso tempo agirà come una gigantesca trappola ionica in cui possiamo usare la spettroscopia per ottenere un'immagine molto accurata dei PSI che circolano nell'anello di accumulo, " spiega il Prof. Dmitry Budker del PRISMA+ Cluster of Excellence dell'Università di Mainz e dell'Helmholtz Institute Mainz e uno degli autori della recente pubblicazione. "Nel nostro articolo, descriviamo le numerose possibilità offerte dai due approcci. D'altra parte, è importante affrontare le sfide attuali e future associate alla creazione di una Gamma Factory come questa."

Esempi di interessanti applicazioni fisiche della spettroscopia a fascio primario includono la misurazione degli effetti della violazione della parità atomica nel PSI, il risultato di interazioni deboli tra particelle subatomiche, nonché il rilevamento della distribuzione dei neutroni nei nuclei del PSI. Le informazioni così ottenute completerebbero alcune delle più importanti attività di ricerca svolte a Magonza. Il secondario, fasci di raggi gamma ad alta energia con polarizzazione controllata con precisione possono essere utilizzati in combinazione con bersagli polarizzati "fissi", Per esempio, al fine di studiare la struttura dei nuclei atomici e le reazioni nucleari rilevanti per l'astrofisica. I raggi gamma secondari possono essere utilizzati anche per generare fasci terziari intensi, Per esempio, quelli dei neutroni, muoni o neutrini.

Sarà necessario superare una serie di sfide tecnologiche per garantire il funzionamento ottimale della Gamma Factory. "Così, Per esempio, dobbiamo imparare a eseguire il raffreddamento laser di PSI ultrarelativistici al fine di ridurre la loro diffusione di energia e ottenere un raggio ben definito, " sottolinea Dmitry Budker. "Mentre il raffreddamento laser degli ioni a energie inferiori è già stato studiato, al GSI di Darmstadt per esempio, non è stato ancora eseguito a energie così elevate come quelle che saranno associate alla Gamma Factory."

La Gamma Factory al CERN non è più solo un sogno irrealizzabile, perché a luglio 2018 grandi progressi sono stati compiuti dal concetto alla realtà. Il gruppo Gamma Factory, insieme agli esperti di acceleratori del CERN, è riuscito a far circolare nell'SPS fasci di ioni di piombo simili all'idrogeno e all'elio per diversi minuti. Il raggio simile all'idrogeno è stato successivamente iniettato nell'LHC, dove poi circolò per diverse ore. "Il prossimo passo cruciale è l'esecuzione dell'esperimento dedicato alla prova del principio presso l'SPS del CERN che si spera convaliderà l'intero concetto di Gamma Factory, " conclude Dmitry Budker, delineando l'emozionante fase successiva. La Gamma Factory è una proposta ambiziosa, attualmente in fase di esplorazione nell'ambito del programma "Physics Beyond Colliders" del CERN.