Ray gun urychluje elektrony z nuly na 500 milionů mph ve dvou palcích

Na newyorském Long Islandu vědci staví ambiciózní stroj, který má odhalit záhady ukryté uvnitř atomových jader. Hlavní součástí tohoto systému je elektronová pistole s nejvyšším napětím na světě a je to právě úspěšný šestiměsíční test.

Stroj je známý jako Electron-Ion Collider (EIC) a je vyvíjen vědci z Brookhaven National Laboratory amerického ministerstva energetiky. Cílem stroje je urychlit elektrony v jednom proudu a srazit je s atomy, které byly zbaveny vlastních elektronů putujících v jiném proudu v opačném směru. To vše se bude odehrávat v kruhovém urychlovači o obvodu 2,4 mil.

To by teoreticky mělo rozbít protony a neutrony v jádrech atomů a odhalit tak dosud špatně pochopené mechanismy, kterými existují. Jedním z cílů je lépe porozumět síle uvnitř gluonů, které drží kvarky pohromadě (stavební kameny protonů a neutronů) a jsou známé jako nejsilnější přírodní síla.

Aby to všechno fungovalo, museli vědci vynalézt zařízení, které by dokázalo urychlit částice na rychlost blízkou rychlosti světla rychle a na relativně malou vzdálenost. A nedávná série testů elektronové zbraně dokazuje, že přesně to udělali.

„Zrychlujeme rychlost elektronů na 80 % rychlosti světla,“ řekl fyzik z Brookhaven Lab Erdong Wang, hlavní architekt a realizátor zařízení, který na jeho vývoji pracuje od jeho návrhu v roce 2017. „To je zrychlení od nuly do více než 500 milionů mil za hodinu – na rozpětí pouhých dvou palců uvnitř zbraně za asi dvě desetimiliardtiny sekundy.“

„Do EIC jsme vložili ‚e‘,“ dodal John Skaritka, strojní inženýr Brookhaven Lab, který vedl mechanický návrh a plánování projektu.

Výzvy s točením hlavy

Urychlení elektronů je jen jedním z úkolů, které jsou pistoli přiděleny. Druhým je umět vytvářet těsně sbalené skupiny částic a řídit také jejich rotaci. Aby toho dosáhli, výzkumníci vytvořili fotokatodu – součást, která vytváří fotoelektrické elektrony – z tenkých nanovrstvy krystalů arsenidu galia. Úderem na tuto katodu laserem byl tým schopen uvolnit elektrony a kontrolovat, zda se otáčejí dopředu nebo dozadu.

Jakmile jsou elektrony uvolněny z krystalu pomocí laseru, má zbraň za úkol dostat je do pohybu dostatečně rychle. Aby toho dosáhl, tým postavil anodu naproti katodě a použil extrémně vysoké napětí. Povedlo se to.

„Nejprve přivedeme napětí na katodu,“ řekl Wang. „Když pak posvítíme laserem na plátek arsenidu galia, elektronový paprsek vyjde směrem k anodě. Energie elektronů se pohybuje od nuly do 320 kiloelektronvoltů v prostoru mezery – asi dva palce.“

Národní laboratoř Brookhaven

Vědci také zvolili nejlepší přístup s laserem. Zjistili, že krátké pulsy laserového světla byly schopny vytvořit skupiny elektronů obsahujících vysoký „hromadný náboj“, což znamená, že byly nabité asi 70 miliardami elektronů na svazek. Tyto shluky dávají částicím nejvyšší pravděpodobnost, že se rozbijí do atomových jader přicházejících na ně z druhého směru v urychlovači.

Poté, co prošel řadou dalších úkolů, včetně vypálení zachycených plynů v oceli pouzdra pistole a použití materiálů odvozených z drcených kukuřičných klasů k vyleštění všech součástí z nerezové oceli do zrcadlového lesku, fungovala pistole šest měsíců bez údržby. Analýza vytvořených elektronových paprsků ověřila, že částice mají přesně ty správné vlastnosti pro použití v EIC.

„Tato zbraň nejenže překračuje požadavky EIC, ale také dosahujeme špičkových výsledků,“ řekl Wang. „Toto je polarizované elektronové dělo s nejvyšším napětím a nejvyšší intenzitou na světě.“

On a jeho tým nyní pracují na součástech, které ještě více urychlí elektrony uvnitř urychlovače až na rychlost blízkou rychlosti světla.

Práce týmu byla publikována v časopise Dopisy z aplikované fyziky.

Zdroj: Brookhaven National Lab