Лучевая пушка разгоняет электроны от нуля до 80% скорости света

Ученые строят амбициозную машину, чтобы разгадать тайны, хранящиеся внутри атомных ядер. Главным компонентом этой системы является электронная пушка с самым высоким напряжением в мире, и она только что успешно прошла шестимесячный тест.

Машина известна как электронно-ионный коллайдер (EIC), и ее разрабатывают ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Цель машины — разогнать электроны в одном потоке и столкнуть их с атомами, лишенными собственных электронов, движущимися в другом потоке в противоположном направлении. Все это будет происходить в кольцевом коллайдере, длина окружности которого составит 3,9 км.

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 сильное ядерное взаимодействие. Она действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее.

Чтобы все это заработало, ученым нужно было изобрести устройство, которое могло бы разогнать частицы до скорости, близкой к скорости света, быстро и на относительно небольшом расстоянии. 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. «Это ускорение от нуля до более чем 800 миллионов км в час — на расстоянии всего пяти сантиметров внутри пушки примерно за две десятимиллиардные доли секунды».

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 ученых 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, инженеры построили анод напротив катода и применили чрезвычайно высокое напряжение. Это сработало.

«Сначала мы подаем напряжение на катод», — сказал Эрдонг Ван. «Затем, когда мы направляем лазер на пластину арсенида галлия, электронный луч выходит в сторону анода. Энергия электронов меняется от нуля до 320 килоэлектронвольт в пространстве зазора — около пяти сантиметров».

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, приближающиеся к ним с другого направления в ускорителе.

После решения ряда других задач пушка проработала без 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 Эрдонг 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.