La 'iniciativa Gamma Factory', un equipo internacional de científicos, está explorando actualmente una nueva herramienta de investigación:proponen desarrollar una fuente de rayos gamma de alta intensidad utilizando las instalaciones de aceleradores existentes en el CERN. Para hacer esto, Se circularán haces de iones especializados en los anillos de almacenamiento SPS y LHC, que luego se excitará mediante rayos láser para que emitan fotones. En la configuración seleccionada, las energías de los fotones estarán dentro del rango de radiación gamma del espectro electromagnético. Esto es de particular interés en relación con el análisis espectroscópico de núcleos atómicos. Es más, los rayos gamma estarán diseñados para tener una intensidad muy alta, varios órdenes de magnitud superiores a los de los sistemas actualmente en funcionamiento. En el último número de la revista Annalen der Physik , Los investigadores afirman que una 'Fábrica Gamma' construida de esta manera permitirá no solo avances en espectroscopia, sino también nuevas formas de probar simetrías fundamentales de la naturaleza.

En el corazón de la propuesta de Gamma Factory se encuentran haces de iones especiales hechos de elementos pesados ​​como el plomo al que se le han quitado casi todos los electrones de la capa exterior. Un átomo de plomo normalmente tiene 82 protones en el núcleo y 82 electrones en su capa. Si solo quedan uno o dos electrones, lo que resulta en los denominados 'iones parcialmente despojados' (PSI, por sus siglas en inglés). En la configuración prospectiva de Gamma Factory, circularán en un anillo de almacenamiento de alta energía, como el Super Proton Synchrotron (SPS) o el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN.

Las ISP ofrecen oportunidades únicas para investigar diversas cuestiones fundamentales de la ciencia moderna. En física atómica, sirven como una especie de mini laboratorio para investigar cómo se comportan los sistemas con pocos electrones cuando están expuestos a fuertes campos electromagnéticos, que, en el caso de las ISP, son producidos por los propios núcleos atómicos.

El concepto principal subyacente de Gamma Factory es hacer que un rayo láser choque frontalmente con un rayo PSI acelerado. En el 'laboratorio de PSI', los fotones incidentes pueden generar estados excitados al transportar electrones a órbitas superiores; esto constituye un sistema de prueba ideal que facilitará investigaciones detalladas utilizando espectroscopía atómica (espectroscopía de haz primario). Sucesivamente, los PSI excitados por el rayo láser emiten fotones, que luego se puede utilizar en muchos otros experimentos "fuera" del laboratorio de PSI (espectroscopia de haz secundario). El haz de rayos gamma resultante se caracterizará por altas energías de hasta 400 megaelectrones voltios, que corresponde a una longitud de onda de 3 femtómetros. A modo de comparación, la energía fotónica de la luz visible es ocho órdenes de magnitud más pequeña, con una longitud de onda correspondientemente mayor.

"La Fábrica Gamma que proponemos ofrece dos perspectivas inmensamente emocionantes:por un lado, será una fuente de luz muy intensa que produce rayos gamma de alta energía en una banda de frecuencias muy específica; Al mismo tiempo, actuará como una trampa de iones gigante donde podemos usar la espectroscopia para obtener una imagen muy precisa de los PSI que circulan en el anillo de almacenamiento. "explica el profesor Dmitry Budker del PRISMA + Cluster of Excellence de University Mainz y el Helmholtz Institute Mainz y uno de los autores de la reciente publicación". En nuestro artículo, describimos las muchas posibilidades que ofrecen los dos enfoques. Por otra parte, es importante abordar los desafíos actuales y futuros asociados con el establecimiento de una Fábrica Gamma como esta ".

Ejemplos de interesantes aplicaciones físicas de la espectroscopia de haz primario incluyen la medición de los efectos de la violación de la paridad atómica en la PSI, el resultado de interacciones débiles entre partículas subatómicas, así como la detección de la distribución de neutrones en los núcleos de la PSI. La información así obtenida complementaría algunas de las actividades de investigación más importantes que se están llevando a cabo en Mainz. El secundario Se pueden utilizar haces de rayos gamma de alta energía con polarización controlada con precisión junto con objetivos polarizados 'fijos', por ejemplo, con el fin de investigar la estructura de los núcleos atómicos, así como las reacciones nucleares relevantes para la astrofísica. Los rayos gamma secundarios también se pueden utilizar para generar haces terciarios intensos, por ejemplo, los de neutrones, muones o neutrinos.

Será necesario superar una variedad de desafíos tecnológicos para garantizar el funcionamiento óptimo de la Fábrica Gamma. "Entonces, por ejemplo, Necesitamos aprender a realizar enfriamiento por láser de PSI ultrarelativista para reducir su propagación de energía y obtener un haz bien definido, ", señala Dmitry Budker." Si bien ya se ha investigado el enfriamiento por láser de iones a energías más bajas, en GSI en Darmstadt, por ejemplo, todavía no se ha realizado a energías tan elevadas como las que se asociarán con la Fábrica Gamma ".

La Fábrica Gamma del CERN ya no es solo una quimera, porque en julio de 2018, se hicieron grandes avances desde el concepto hasta la realidad. El grupo Gamma Factory junto con los expertos en aceleradores del CERN lograron hacer circular haces de iones de plomo similares al hidrógeno y al helio en el SPS durante varios minutos. El rayo similar al hidrógeno se inyectó más tarde en el LHC, donde luego circuló durante varias horas. "El siguiente paso crucial es ejecutar el experimento de prueba de principio dedicado en el SPS del CERN que, con suerte, validará todo el concepto de Gamma Factory, "concluye Dmitry Budker, delineando la siguiente etapa emocionante. The Gamma Factory es una propuesta ambiciosa, actualmente se está explorando dentro del programa CERN "Física más allá de los colisionadores".