A New York állambeli Long Islanden, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Brookhaven Nemzeti Laboratóriumában dolgozó tudósok az Elektron-Ion Ütköztetőn (EIC) dolgoznak, amelynek célja nem kevesebb, mint az atommag titkainak a feltárása. A projekt egyik legfontosabb összetevője, az egész alapja lényegében, a világ legnagyobb feszültségű elektronágyúja. A jó hír pedig, hogy az ágyú hat hónapos tesztje sikerrel zárult – írja a sajtóközlemény.

Az EIC lényege, hogy felgyorsítja az egy irányban haladó elektronokat, majd egy 3,9 kilométeres ütköztető gyűrűben ütközteti őket a velük ellentétes irányban mozgó, lecsupaszított atommagokkal (ionokkal). Ezek az ütközések várhatóan széttörik a protonokat és neutronokat az atommagokban, ami felfedheti azokat az alapvető erőket, amelyek összetartják őket. Az egyik legfőbb cél a gluonok, azok a részecskék, amelyek a protonok és neutronok belsejében található kvarkokat összekapcsolják, alaposabb megértése. A gluonok hozzák létre a természet legerősebb ismert erőit, így a vizsgálatuk mélyebb bepillantást nyújthat a nukleáris mélyszerkezet működésébe.

Az EIC legnagyobb kihívása a részecskék rendkívül rövid távolságon történő, fénysebességhez közeli felgyorsítása. A cikk tárgyát adó elektronágyú pedig pontosan itt lép képbe: ez az eszköz mindössze 5 centiméteren belül az elektronokat a fénysebesség 80%-ára gyorsítja fel. Mint azt Erdong Wang, az eszköz vezető fejlesztője, aki 2017 óta vezeti a projektet, elmondta:

“Ez azt jelenti, hogy nulláról több mint 800 millió kilométer per órás sebességre gyorsítjuk fel az elektronokat körülbelül két tízmilliárdod másodperc alatt.”

Az elektronágyú azonban nemcsak felgyorsítja a részecskéket, hanem szabályozott spinű, sűrűn összetömörült elektroncsoportokat is előállít. Az egyik alapvető újítás mindehhez egy vékony gallium-arzenid kristályokból készült fotokatód kifejlesztése volt – a fotokatód lézerrel történő megvilágítása ugyanis elektronokat szabadít fel, melyek spinje manipulálható. Ezeket az elektronokat aztán egy 5 cm-es résen keresztül rendkívül nagy feszültség gyorsítja fel.

A teljesítmény optimalizálása érdekében a kutatók rövid lézerimpulzusokkal sűrű elektronkötegeket hoztak létre, amelyek körülbelül 70 milliárd elektronból állnak – ennek az az értelme, hogy növeljék az ütközések valószínűségét a beérkező ionokkal. Miután sikeresen megoldották a technikai kihívásokat, például a bennrekedt gázok eltávolítását és az ágyú acélházának a polírozását, az eszköz hat hónapig hibátlanul működött. Az eredmények megfeleltek az EIC szigorú elvárásainak is, sőt:

„Ez az ágyú nemcsak hogy megfelel az EIC követelményeinek, de túl is teljesíti azokat, vagyis a világ legnagyobb feszültségű, legnagyobb intenzitású polarizált elektronágyúját hoztuk létre.”

– mondta Wang. A csapat célja jelenleg, hogy még inkább felgyorsítsák az elektronokat az ütköztetőben.

(Kép: Erdong Wang fizikus a 2017-ben általa megálmodott nagyfeszültségű elektronágyú mellett pózol, forrás:Brookhaven National Laboratory/Roger Stoutenburgh)