Физики смогли поймать в ловушку ядро аргона, разогнанное до 30% скорости света

На ускорителях частиц проводят не только их столкновения, имитирующие первые секунды жизни Вселенной. Эти сложные устройства еще работают фабрикой экзотических частиц, которые почти не встречаются в природе. Сложнее создания редкой частицы — только задача удержать ее на месте, чтобы исследователи смогли провести измерения.

Внутренности радиочастотного резонатора, замедляющего ионы / © G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Высокозарядные ионы — атомы, которые разными способами потеряли больше одного электрона. Ими могут быть и «голые» ядра, утратившие всю электронную оболочку. Обычно для того, чтобы создать их в лабораторных условиях, ученым нужно работать с высокими энергиями и сильными полями.

Часто их получают на ускорителях частиц, а значит, и движутся высокозарядные ионы на высоких скоростях. Для физических экспериментов такие ионы нужно остановить, захватить и охладить — нетривиальная задача. Специально для этих целей в немецком Институте тяжелых ионов GSI разработали установку HITRAP (High Charge Ion Trap).

С помощью HITRAP исследователям впервые удалось замедлить и захватить полностью ионизированные ионы аргона (36Ar18+). Они двигались на скорости, составляющей примерно 30% скорости света. Значительное торможение позволило удержать частицы в ловушке Пеннинга. Также научная группа впервые провела электронное охлаждение высокозарядных ионов в такой ловушке. Результаты опубликовали в журнале Physical Review X.

Исследователи сообщили, что это первый случай, когда научная группа проделала целиком весь путь: от генерации высокозарядных ионов к хранению в специальной ловушке на протяжении не менее 11 секунд.

В ловушке Пеннинга для хранения частиц используют магнитное и электрическое поля. Магнитное поле ограничивает движение частиц по одной оси, электрическое — по другой. В плоскости третьей оси частица в ловушке двигается по траектории, которая определяется циклотронной частотой частицы. На основе наблюдений за этой частотой ученые могут вычислить характеристики пойманной в ловушку частицы. Для захвата ионов в ловушку их кинетическую энергию пришлось уменьшить примерно в 10 000 раз.

Энергия ионов все еще была слишком высока для точных исследований. Ее снизили с помощью электронного охлаждения. Для этого в ловушку допустили пучок электронов с энергией, подобранной под ионы аргона внутри. При столкновении электроны отбирают часть энергии у ионов, так они постепенно охлаждаются, что увеличивает их время жизни в ловушке.

Это первый описанный случай использования электронного охлаждения в ловушке Пеннинга для высокозарядных ионов. Физики считают, что реализованный ими процесс продвинет исследования тяжелых высокозарядных ионов. Электронное охлаждение, в отличие от обычного для таких условий газового, оставляет ионы подготовленными для высокоточных измерений.