На Лонг-Айленде в Нью-Йорке ученые строят амбициозную машину, чтобы разгадать тайны, хранящиеся внутри атомных ядер. Основным компонентом этой системы является самая высоковольтная в мире электронная пушка, и она только что успешно прошла шестимесячные испытания.
Машина известна как электронно-ионный коллайдер (EIC), и она разрабатывается учеными из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Цель машины — иметь возможность ускорять электроны в одном потоке и сталкивать их с атомами, лишенными собственных электронов, движущимися в другом потоке в противоположном направлении. Все это будет происходить в кольцевом коллайдере, имеющем окружность 2,4 мили.
Это должно, в теории, разбить протоны и нейтроны в ядрах атомов, раскрывая все еще плохо изученные механизмы, посредством которых они существуют. Одна из целей — лучше понять силу внутри глюонов, которая удерживает вместе кварки (строительные блоки протонов и нейтронов) и известна как самая сильная сила в природе.
Чтобы все это заработало, ученым нужно было изобрести устройство, которое могло бы быстро и на относительно небольшом расстоянии разогнать частицы до скорости, близкой к скорости света. И недавняя серия испытаний электронной пушки доказывает, что они сделали именно это.
«Мы увеличиваем скорость электронов до 80% скорости света», — сказал физик из Брукхейвенской лаборатории Эрдонг Ван, главный архитектор и разработчик устройства, который работал над его разработкой с тех пор, как предложил его в 2017 году. «Это ускорение от нуля до более чем 500 миллионов миль в час — на расстоянии всего двух дюймов внутри пушки примерно за две десятимиллиардные доли секунды».
«Мы добавляем «e» в EIC», — добавил Джон Скаритка, инженер-механик из Брукхейвенской лаборатории, который руководил механическим проектированием и планированием проекта.
Головокружительные проблемы
Ускорение электронов — это лишь одна из задач, поставленных перед пушкой. Другая — возможность создавать плотно упакованные группы частиц и контролировать их спин. Чтобы добиться этого, исследователи создали фотокатод — компонент, который создает фотоэлектрические электроны — из тонких нанолистов кристаллов арсенида галлия. Ударяя по этому катоду лазером, команда смогла выпустить электроны и контролировать, вращаются ли они в прямом или обратном направлении.
После того, как электроны освобождаются из кристалла с помощью лазера, пушке поручается заставить их двигаться достаточно быстро. Чтобы добиться этого, команда построила анод напротив катода и приложила чрезвычайно высокое напряжение. Это сработало.
«Сначала мы прикладываем напряжение к катоду», — сказал Ван. «Затем, когда мы светим лазером на пластину арсенида галлия, электронный луч выходит в направлении анода. Энергия электронов меняется от нуля до 320 килоэлектронвольт в пространстве зазора — около двух дюймов».
Художественное представление освобожденных электронов, врезающихся в ядро атома. Брукхейвенская национальная лаборатория
Исследователи также выбрали лучший подход с лазером. Они обнаружили, что короткие импульсы лазерного света способны создавать группы электронов, содержащие высокий «заряд сгустка», то есть они были упакованы примерно 70 миллиардами электронов на сгусток. Эти сгустки дают частицам самые высокие шансы врезаться в атомные ядра, идущие на них с другого направления в ускорителе.
После решения ряда других задач, включая выжигание захваченных газов в стали корпуса пушки и использование материалов, полученных из измельченных кукурузных початков, для полировки всех компонентов из нержавеющей стали до зеркального блеска, пушка проработала без технического обслуживания в течение шести месяцев. Анализ полученных электронных пучков подтвердил, что частицы имели именно те характеристики, которые нужны для использования в EIC.
«Эта пушка не только превосходит требования EIC, но мы также получаем ведущие в мире результаты», — сказал Ван. «Это самая высоковольтная и самая интенсивная поляризованная электронная пушка в мире».
Сейчас он и его команда работают над компонентами, которые еще больше ускорят электроны внутри коллайдера, почти до скорости света.
Работа команды опубликована в журнале Applied Physics Letters.