Acceleratoroperatörer kan utföra fantastisk akrobatik med partikelstrålar, senast i Super Proton Synchrotron (SPS), CERN:s näst största accelerator. För första gången, de har framgångsrikt injicerat en stråle av delvis joniserade xenonpartiklar i SPS och påskyndat den. Innan de injicerades i SPS, dessa atomer togs bort från 39 av sina 54 elektroner.

Under det första testet, som ägde rum i september, strålen injicerades i SPS-ringen och cirkulerade i ungefär en sekund. Nu, strålen har accelererats för första gången, når en energi på 81,6 gigaelektronvolts (GeV) per nukleon.

Det som gör denna prestanda så anmärkningsvärd är att dessa strålar av delvis joniserade xenonatomer är extremt sköra och har en mycket kort livslängd. Om en atom förlorar bara en av sina 15 elektroner, den ändrar bana och går förlorad. "SPS -vakuumet är inte riktigt lika högt som för LHC. De kvarvarande gasmolekylerna i vakuumkammaren stör strålen, vilket förklarar varför det går förlorat ganska snabbt, " säger Reyes Alemany, vem som ansvarar för SPS-testerna. "Men att hålla strålen igång en cykel i SPS är redan ett mycket lovande resultat!"

Så varför experimenterar acceleratorfysiker med dessa atomer? Det är att testa en ny idé:en högintensiv källa för gammastrålning (fotoner med energier i megaelektronvolt (MeV) -området). Denna gammafabrik, som det är känt, skulle generera fotoner på upp till 400 MeV i energi och vid intensiteter som är jämförbara med synkrotroner eller röntgenfria elektronlasrar (XFEL). XFEL producerar högintensiva strålar av röntgenstrålar – det vill säga fotoner med en energi som är mindre än cirka 100 kiloelektronvolt (keV).

"En sådan källa skulle bana väg för studier som aldrig gjorts tidigare i grundläggande fysik, inom kvantelektrodynamik eller forskning om mörk materia, " förklarar Witold Krasny, en CNRS -fysiker och CERN -medarbetare som grundade projektet och leder arbetsgruppen. "Det öppnar också dörren för industriella och medicinska tillämpningar." Det kan till och med fungera som en testbänk för en framtida neutrino -fabrik eller muon -kollider.

Principen är att accelerera delvis joniserade atomer och sedan excitera dem med en laser. När de återgår till sitt stabila tillstånd, atomerna släpper ut fotoner med hög energi.

Teamet utnyttjade närvaron av xenon i acceleratorkomplexet för att genomföra detta första test utan att störa de andra pågående fysikprogrammen. Nästa år, under LHC-tungjonkörningen, laget kommer att upprepa experimentet med hjälp av joniserade blyatomer, som kommer att fråntas alla utom en eller två elektroner. Dessa strålar kommer att vara mycket mer stabila; att ha färre elektroner innebär att atomerna löper mindre risk att förlora dem. Dessutom, deras elektroner finns bara i "K" -skalet, närmast kärnan, och har därför en starkare koppling till kärnan än i xenonatomerna. Tungjonstrålarna kunde först accelereras i SPS och sedan i LHC.

Gammafabriksprojektet är en del av Physics Beyond Colliders -studien, som lanserades 2016 med målet att undersöka alla möjliga icke-kolliderande experiment, särskilt de som skulle kunna göras med CERNs acceleratorkomplex. Hundratals forskare förväntas delta i den årliga Physics Beyond Colliders -konferensen på CERN i slutet av november.