A 'iniciativa Gamma Factory' - uma equipe internacional de cientistas - está atualmente explorando uma nova ferramenta de pesquisa:eles propõem desenvolver uma fonte de raios gama de alta intensidade usando as instalações de acelerador existentes no CERN. Para fazer isso, feixes de íons especializados serão circulados nos anéis de armazenamento SPS e LHC, que será então excitado com feixes de laser para que emitam fótons. Na configuração selecionada, as energias dos fótons estarão dentro da faixa de radiação gama do espectro eletromagnético. Isso é de particular interesse em conexão com a análise espectroscópica de núcleos atômicos. Além disso, os raios gama serão projetados para ter uma intensidade muito alta, várias ordens de magnitude mais altas do que os sistemas atualmente em operação. Na última edição da revista Annalen der Physik , os pesquisadores afirmam que uma 'Fábrica de Gama' construída desta forma permitirá não apenas descobertas em espectroscopia, mas também novas maneiras de testar simetrias fundamentais da natureza.

No cerne da proposta da Gamma Factory estão os feixes de íons especiais feitos de elementos pesados, como o chumbo, que foram despojados de quase todos os elétrons da camada externa. Um átomo de chumbo normalmente tem 82 prótons no núcleo e 82 elétrons em sua camada. Se apenas um ou dois elétrons sobrarem, quais resultados são os chamados 'íons parcialmente despojados' - PSIs para breve. Na configuração do Gamma Factory, eles vão circular em um anel de armazenamento de alta energia, como o Super Proton Synchrotron (SPS) ou o Large Hadron Collider (LHC) no CERN.

Os PSIs oferecem oportunidades únicas para pesquisar várias questões fundamentais da ciência moderna. Na física atômica, eles servem como uma espécie de mini-laboratório para investigar como sistemas com poucos elétrons se comportam quando são expostos a fortes campos eletromagnéticos, que, no caso de PSIs, são produzidos pelos próprios núcleos atômicos.

O principal conceito subjacente ao Gamma Factory é fazer um feixe de laser colidir frontalmente com um feixe PSI acelerado. No 'laboratório PSI', os fótons incidentes podem gerar estados excitados transportando elétrons para órbitas mais altas - isso constitui um sistema de teste ideal que facilitará investigações detalhadas usando espectroscopia atômica (espectroscopia de feixe primário). Por sua vez, os PSIs excitados pelo próprio feixe de laser emitem fótons, que pode então ser usado em vários outros experimentos "fora" do laboratório PSI (espectroscopia de feixe secundário). O feixe de raios gama resultante será caracterizado por altas energias de até 400 megaelétrons volts, que corresponde a um comprimento de onda de 3 femtômetros. A título de comparação, a energia do fóton da luz visível é oito ordens de magnitude menor, com um comprimento de onda correspondentemente maior.

"A Gamma Factory que estamos propondo oferece duas perspectivas extremamente interessantes:por um lado, será uma fonte de luz muito intensa que produz raios gama de alta energia em uma faixa de frequências muito específica; ao mesmo tempo, atuará como uma armadilha de íons gigante, onde podemos usar a espectroscopia para obter uma imagem muito precisa dos PSIs que circulam no anel de armazenamento, "explica o Prof. Dmitry Budker do PRISMA + Cluster de Excelência da University Mainz e do Helmholtz Institute Mainz e um dos autores da recente publicação." Em nosso artigo, descrevemos as muitas possibilidades oferecidas pelas duas abordagens. Por outro lado, é importante abordar os desafios atuais e futuros associados ao estabelecimento de uma Gamma Factory como esta. "

Exemplos de aplicações de física interessantes de espectroscopia de feixe primário incluem medição dos efeitos da violação da paridade atômica em PSI - o resultado de interações fracas entre partículas subatômicas - bem como detecção da distribuição de nêutrons nos núcleos do PSI. As informações assim obtidas complementariam algumas das atividades de pesquisa mais importantes realizadas em Mainz. O secundário, feixes de raios gama de alta energia com polarização precisamente controlada podem ser usados ​​em conjunto com alvos polarizados "fixos", por exemplo, a fim de investigar a estrutura dos núcleos atômicos, bem como as reações nucleares relevantes para a astrofísica. Os raios gama secundários também podem ser usados ​​para gerar feixes terciários intensos, por exemplo, aqueles de nêutrons, múons ou neutrinos.

Uma variedade de desafios tecnológicos terão que ser superados para garantir a operação ideal da Gamma Factory. "Então, por exemplo, precisamos aprender a realizar o resfriamento a laser do PSI ultrarelativístico para reduzir sua propagação de energia e obter um feixe bem definido, "aponta Dmitry Budker." Embora o resfriamento de íons a laser em energias mais baixas já tenha sido investigado, na GSI em Darmstadt, por exemplo, ainda não foi realizado em energias tão altas como aquelas que serão associadas à Fábrica Gama. "

A Gamma Factory no CERN não é mais apenas um sonho, porque em julho de 2018, grande progresso foi feito do conceito à realidade. O grupo Gamma Factory junto com os especialistas em aceleradores do CERN conseguiram fazer feixes de íons de chumbo semelhantes ao hidrogênio e hélio circular no SPS por vários minutos. O feixe de hidrogênio foi posteriormente injetado no LHC, onde então circulou por várias horas. "A próxima etapa crucial é executar o experimento de prova de princípio dedicado no SPS do CERN que, com sorte, validará todo o conceito de Gamma Factory, "conclui Dmitry Budker, delineando a próxima etapa emocionante. A Gamma Factory é uma proposta ambiciosa, atualmente sendo explorado dentro do programa CERN 'Physics beyond Colliders'.