Los operadores del acelerador pueden realizar acrobacias increíbles con haces de partículas, más recientemente en el Super Proton Synchrotron (SPS), El segundo acelerador más grande del CERN. Por primera vez, Han inyectado con éxito un haz de partículas de xenón parcialmente ionizadas en el SPS y lo han acelerado. Antes de que se inyectaran en el SPS, estos átomos fueron despojados de 39 de sus 54 electrones.

Durante la primera prueba, que tuvo lugar en septiembre, el haz se inyectó en el anillo SPS y se hizo circular durante aproximadamente un segundo. Ahora, el rayo se ha acelerado por primera vez, alcanzando una energía de 81,6 gigaelectronvoltios (GeV) por nucleón.

Lo que hace que este rendimiento sea tan notable es que estos haces de átomos de xenón parcialmente ionizados son extremadamente frágiles y tienen una vida útil muy corta. Si un átomo pierde solo uno de sus 15 electrones, cambia de órbita y se pierde. "El vacío de SPS no es tan alto como el del LHC. Las moléculas de gas residual presentes en la cámara de vacío perturban el haz, lo que explica por qué se pierde con bastante rapidez, "dice Reyes Alemany, quién es responsable de las pruebas SPS. "¡Pero mantener el rayo durante un ciclo en el SPS ya es un resultado muy prometedor!"

Entonces, ¿por qué los físicos de aceleradores están experimentando con estos átomos? Es para probar una idea novedosa:una fuente de rayos gamma de alta intensidad (fotones con energías en el rango de megaelectronvoltios (MeV)). Esta fábrica de gamma, como se le conoce, generaría fotones de hasta 400 MeV de energía y a intensidades comparables a las de los sincrotrones o los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL). Los XFEL producen haces de rayos X de alta intensidad, es decir, fotones de una energía de menos de aproximadamente 100 kiloelectronvoltios (keV).

"Una fuente de ese tipo allanaría el camino para estudios nunca antes realizados en física fundamental, en los campos de la electrodinámica cuántica o la investigación de la materia oscura, "explica Witold Krasny, un físico del CNRS y asociado del CERN que fundó el proyecto y lidera el grupo de trabajo. "También abre la puerta a aplicaciones industriales y médicas". Incluso podría servir como banco de pruebas para una futura fábrica de neutrinos o colisionador de muones.

El principio es acelerar los átomos parcialmente ionizados y luego excitarlos usando un láser. A medida que regresan a su estado estable, los átomos liberan fotones de alta energía.

El equipo aprovechó la presencia de xenón en el complejo del acelerador para realizar esta primera prueba sin interrumpir los demás programas de física en curso. El próximo año, durante la ejecución de iones pesados ​​del LHC, el equipo repetirá el experimento utilizando átomos de plomo ionizados, que será despojado de todos menos uno o dos electrones. Esos haces serán mucho más estables; tener menos electrones significa que los átomos tienen menos riesgo de perderlos. Además, sus electrones solo se encuentran en la capa "K", el más cercano al núcleo, y por lo tanto tienen un vínculo más fuerte con el núcleo que en los átomos de xenón. Los haces de iones pesados ​​podrían acelerarse primero en el SPS y luego en el LHC.

El proyecto de la fábrica de rayos gamma es parte del estudio Physics Beyond Colliders, que se lanzó en 2016 con el objetivo de investigar todos los posibles experimentos sin colisionadores, particularmente aquellos que se podrían hacer usando el complejo de aceleradores del CERN. Se espera que cientos de científicos asistan a la conferencia anual Physics Beyond Colliders en el CERN a fines de noviembre.