Физики впервые захватили ядро аргона, разогнанное до 30% скорости света

На ускорителях частиц ученые не только сталкивают пучки, воспроизводя условия первых мгновений после Большого взрыва, но и создают экзотические частицы, которые редко встречаются в природе. Одними из таких объектов являются высокозарядные ионы — атомы, потерявшие значительную часть электронной оболочки, вплоть до полностью обнаженных ядер. Их получение требует огромных энергий, а последующее удержание для измерений — еще более сложная задача.

Чтобы провести точные эксперименты, такие ионы необходимо сначала остановить и охладить. Для этой цели в GSI была создана специальная установка HITRAP (High Charge Ion Trap). Именно на ней исследователи впервые осуществили полный цикл: от генерации ионов до их хранения в ловушке на протяжении не менее 11 секунд.

Ловушка Пеннинга: как удержать сверхбыстрые частицы

В качестве устройства для удержания использовалась ловушка Пеннинга, где частицы удерживаются комбинацией магнитного и электрического полей. Однородное магнитное поле заставляет ионы двигаться по спирали в радиальном направлении, ограничивая их перемещение в двух осях (X и Y), а электростатическое поле удерживает частицы вдоль третьей оси (Z), не позволяя им вырваться. Наблюдая за движением частиц в таких условиях, физики могут вычислять их характеристики.

Однако прежде чем ионы можно было поместить в ловушку, их кинетическую энергию пришлось уменьшить примерно в 10 000 раз. Даже после такого значительного замедления энергия частиц оставалась слишком высокой для точных измерений, поэтому ученые применили метод электронного охлаждения.

Электронное охлаждение: новый метод для высокозарядных ионов

Суть метода заключается в том, что в ловушку вводится пучок электронов с энергией, подобранной под ионы аргона. При столкновениях электроны отбирают у ионов часть энергии, постепенно охлаждая их и увеличивая время жизни в ловушке. В отличие от традиционного для таких условий газового охлаждения, электронный метод оставляет ионы подготовленными для высокоточных измерений.

Это первый случай, когда электронное охлаждение было успешно применено к высокозарядным ионам в ловушке Пеннинга. Физики полагают, что реализованный подход значительно продвинет исследования тяжелых высокозарядных ионов, открывая путь к изучению их свойств с невиданной точностью.

Полученные результаты опубликованы в журнале Physical Review X.