Большой адронный коллайдер впервые ускорил атомы — ядра свинца, связанные с одним электроном. Ученым удалось продержать пучок атомов внутри ускорителя 40 часов. До этого коллайдер работал только с ионами и частицами — протонами, ядрами ксенона и ядрами свинца. Новый «модус» работы ускорителя позволит превратить его в источник фотонов очень высоких энергий, сообщает Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН).
Обычно на Большом адронном коллайдере (БАК) разгоняют пучки протонов. В ускорителе они «набирают» огромную энергию (порядка десяти тераэлектронвольт), а затем сталкиваются, а ученые наблюдают за рождением новых частиц-осколков. Это позволяет уточнить массу известных частиц, которые возникают в промежуточных реакциях (например, W-бозонов), проверить общепринятые теоретические модели и установить ограничения на параметры новых теорий, которые призваны объединить Стандартную модель и Общую теорию относительности. Разумеется, с тем же успехом БАК может сталкивать и другие заряженные частицы — в электромагнитных полях, создаваемых системой магнитных катушек, частицы будут ускоряться так же, как и протоны. Все, что для этого требуется — пересчитать напряженность полей, чтобы заставить частицу оставаться внутри ускорителя. Каждый год ученые уделяют немного времени работы коллайдера, чтобы провести такие «нетипичные» столкновения и обработать их результаты.
В прошлую среду (25 июля) БАК впервые использовал в качестве такой частицы «атом» — ядро свинца, связанное с единственным электроном. Конечно, такие «атомы» сильно отличаются от обычных, электронейтральных атомов свинца, которые содержат 82 электрона. Тем не менее, это большое достижение для коллайдера, так как удержать атомы целыми во время ускорения очень сложно — чтобы разогнать частицу, необходимо сообщить ей большое количество энергии, которая легко может оторвать электрон от ядра и разрушить атом. Когда это происходит, заряд частицы резко вырастает, сила Лоренца увеличивается, движение частицы перестает быть синхронизированным с напряженностью поля ускоряющих катушек, и она врезается в стенку коллайдера. До сих пор ученые не могли удержать атомы целыми при ускорении на БАК, хотя другим ускорителям (например, RHIC) это удавалось.
В ходе первого эксперимента исследователи разогнали 24 группы атомов до сравнительно низких энергий и продержали их в коллайдере в течение часа. Затем ученые включили катушки на полную мощность и через две минуты сбросили пучок — атомы стали слишком часто терять электроны и врезаться в стенки коллайдера, и физикам пришлось завершить эксперимент, чтобы не повредить установку. В следующем опыте ученые уменьшили число атомов в четыре раза, что позволило им увеличить время удержания до сорока часов. Это оказалось даже больше, чем предсказывали теоретические расчеты. В настоящее время ученые думают, можно ли оптимизировать установку таким образом, чтобы оставить продолжительность удержания на достигнутом уровне при увеличении мощности пучка.
Ученые надеются, что в будущем опыты с атомами позволят превратить БАК в «гамма-фабрику» (gamma factory) — источник фотонов с очень высокими энергиями. В самом деле, если посветить на ускоряемые атомы лазером, часть из них перейдет в возбужденное состояние, а затем вернется в основное, параллельно испуская фотон. В собственной системе отсчета, связанной с атомом, энергия фотона будет небольшой, однако в лабораторной системе отсчета, связанной с неподвижными наблюдателями, энергия фотона вырастет на много порядков из-за эффекта Доплера. В свою очередь, высокоэнергетические фотоны будут превращаться в частицы обычной и темной материи, и с их помощью можно будет проверить некоторые теоретические модели, предсказывающие ненулевое сечение взаимодействия вимпов и фотонов.
Ранее Большой адронный коллайдер несколько раз работал с ядрами тяжелых элементов, но не с атомами. Например, в октябре 2017 года ускоритель в течение восьми часов сталкивал ядра ксенона, чтобы исследовать образование кварк-глюонной плазмы.
По информации https://nplus1.ru/news/2018/07/30/LHC-atoms
Обозрение "Terra & Comp".
