"Gamma Factory-initiativet" - ett internationellt team av forskare - undersöker för närvarande ett nytt forskningsverktyg:De föreslår att utveckla en källa för högintensiv gammastrålning med hjälp av de befintliga acceleratoranläggningarna vid CERN. Att göra detta, specialiserade jonstrålar kommer att cirkuleras i SPS- och LHC-lagringsringarna, som sedan kommer att exciteras med hjälp av laserstrålar så att de sänder ut fotoner. I den valda konfigurationen, fotonernas energier kommer att ligga inom gammastrålningsområdet för det elektromagnetiska spektrumet. Detta är av särskilt intresse i samband med spektroskopisk analys av atomkärnor. Vidare, gammastrålarna kommer att utformas för att ha en mycket hög intensitet, flera storleksordningar högre än för system som för närvarande är i drift. I senaste numret av tidskriften Annalen der Physik , forskarna hävdar att en "Gamma Factory" konstruerad på detta sätt kommer att möjliggöra inte bara genombrott inom spektroskopi utan också nya sätt att testa grundläggande symmetrier i naturen.

Kärnan i Gamma Factory-förslaget är speciella jonstrålar gjorda av tunga grundämnen som bly som har tagits bort från nästan alla elektroner i det yttre skalet. En blyatom har normalt 82 protoner i kärnan och 82 elektroner i sitt skal. Om bara en eller två elektroner finns kvar, vilka resultat är så kallade "partiellt strippade joner" - PSIs för korta. I den blivande Gamma Factory-miljön, de kommer att cirkulera i en lagringsring med hög energi, såsom Super Proton Synchrotron (SPS) eller Large Hadron Collider (LHC) vid CERN.

PSI erbjuder unika möjligheter att forska olika grundläggande frågor inom modern vetenskap. Inom atomfysiken fungerar de som ett slags minilaboratorium för att undersöka hur system med få elektroner beter sig när de utsätts för starka elektromagnetiska fält – vilket, i fallet med PSI, produceras av själva atomkärnorna.

Huvudkonceptet som ligger bakom Gamma Factory är att få en laserstråle att kollidera frontalt med en accelererad PSI-stråle. I "PSI-laboratoriet", de infallande fotonerna kan generera exciterade tillstånd genom att transportera elektroner till högre banor – detta utgör ett idealiskt testsystem som kommer att underlätta detaljerade undersökningar med hjälp av atomspektroskopi (primär strålspektroskopi). I tur och ordning, PSI:erna som exciteras av laserstrålen själva sänder ut fotoner, som sedan kan användas i många andra experiment "utanför" PSI-laboratoriet (sekundär strålspektroskopi). Den resulterande gammastrålen kommer att kännetecknas av höga energier på upp till 400 megaelektronvolt, vilket motsvarar en våglängd på 3 femtometer. Som jämförelse, fotonenergin för synligt ljus är åtta storleksordningar mindre, med en motsvarande större våglängd.

"Gammafabriken som vi föreslår erbjuder två oerhört spännande möjligheter:Å ena sidan, det kommer att vara en mycket intensiv ljuskälla som producerar gammastrålar med hög energi vid ett mycket specifikt band av frekvenser; samtidigt kommer det att fungera som en gigantisk jonfälla där vi kan använda spektroskopi för att få en mycket exakt bild av PSI:erna som cirkulerar i lagringsringen, " förklarar Prof. Dmitry Budker från PRISMA+ Cluster of Excellence vid University Mainz och Helmholtz Institute Mainz och en av författarna till den senaste publikationen. "I vår artikel, vi beskriver de många möjligheter som de två tillvägagångssätten erbjuder. Å andra sidan, det är viktigt att ta itu med de nuvarande och framtida utmaningar som är förknippade med att etablera en Gamma Factory som denna."

Exempel på spännande fysiktillämpningar av primär strålspektroskopi inkluderar mätning av effekterna av atomparitetsöverträdelse i PSI - resultatet av svaga interaktioner mellan subatomära partiklar - såväl som detektering av fördelningen av neutroner i kärnorna i PSI. Den information som sålunda erhållits skulle komplettera några av de viktigaste forskningsaktiviteterna som bedrivs i Mainz. Den sekundära, högenergigammastrålar med exakt kontrollerad polarisation kan användas i kombination med "fasta" polariserade mål, till exempel, för att undersöka strukturen hos atomkärnor samt kärnreaktioner som är relevanta för astrofysik. De sekundära gammastrålarna kan också användas för att generera intensiva tertiära strålar, till exempel, neutronernas, muoner eller neutriner.

En mängd olika tekniska utmaningar kommer att behöva övervinnas för att säkerställa optimal drift av Gamma Factory. "Så, till exempel, vi måste lära oss att utföra laserkylning av ultrarelativistisk PSI för att minska deras energispridning och få en väldefinierad stråle, " påpekar Dmitry Budker. "Medan laserkylning av joner vid lägre energier redan har undersökts, på GSI i Darmstadt till exempel, den har ännu inte framförts vid så höga energier som de som kommer att förknippas med Gammafabriken."

Gammafabriken på CERN är inte längre bara en dröm, eftersom i juli 2018, stora framsteg gjordes från idé till verklighet. Gamma Factory-gruppen tillsammans med CERNs acceleratorexperter lyckades få strålar av väte- och heliumliknande blyjoner att cirkulera i SPS under flera minuter. Den väteliknande strålen injicerades senare i LHC, där den sedan cirkulerade i flera timmar. "Nästa avgörande steg är att köra ett dedikerat princip-princip-experiment på CERNs SPS som förhoppningsvis kommer att validera hela Gamma Factory-konceptet, avslutar Dmitry Budker, redogör för det spännande nästa steget. Gammafabriken är ett ambitiöst förslag, för närvarande utforskas inom CERN 'Physics beyond Colliders'-programmet.