HIE-ISOLDE: основные моменты
* Изотопный сепаратор онлайн (ISOLDE) направляет пучок протонов от бустера синхротрона протонов (PSB) на специально разработанные толстые мишени, создавая низкоэнергетические пучки радиоактивных ядер — тех, у которых слишком много или слишком мало нейтронов для стабильности. Эти пучки могут быть дополнительно ускорены до энергий до 10 МэВ на нуклон с помощью линейного ускорителя HIE-ISOLDE, что позволяет проводить широкий спектр исследований.
* Лучи HIE-ISOLDE направляются на три экспериментальные станции: массив гамма-детекторов Miniball с высокой чистотой германия, спектрометр соленоида ISOLDE (ISS), который переоборудован из бывшего магнита МРТ, и экспериментальную камеру рассеяния (SEC), используемую для широкого спектра физических экспериментов.
* С момента своего первого эксперимента в октябре 2015 года HIE-ISOLDE расширяет границы ядерной физики.
Первый эксперимент на HIE-ISOLDE, проведённый в октябре 2015 года, ускорил радиоактивный пучок богатых нейтронами ядер цинка до 4 МэВ на нуклон, используя новый сверхпроводящий линейный ускоритель, и доставил его на станцию Miniball. Более высокая энергия луча по сравнению с предшественником HIE-ISOLDE — REX-ISOLDE — позволила исследователям изучить высокоэнергетические состояния этих ядер в беспрецедентных деталях.
Использование HIE-ISOLDE для ускорения пучка ядер олова-132 до энергии 5,49 МэВ на нуклон и столкновения его с мишенью из свинца внутри Miniball позволило получить первое прямое доказательство того, что это ядро олова является дважды магическим — то есть его протоны и нейтроны заполняют оболочки до максимальной ёмкости, что делает ядро особенно стабильным.
Ядра в форме груши, такие как некоторые ядра радия и радона, имеют решающее значение для проверки ядерных теорий и поиска физики за пределами Стандартной модели. В 2019 году исследователи сообщили об исследовании, проведённом с использованием лучей HIE-ISOLDE, которые показали, что, в отличие от радия-224, который изучался на более раннем ускорителе REX-ISOLDE, эти ядра радона не сохраняют статическую грушевидную форму в своих основных состояниях.
В 2016 году бывший магнит МРТ переплыл моря из Австралии в ЦЕРН для новой жизни в качестве сердца соленоидального спектрометра ISOLDE (ISS). ISS получил свои первые лучи в 2018 году и был полностью введён в эксплуатацию в 2021 году. С тех пор он изучал 20 различных ядерных видов, от тяжёлых ядер, таких как радон-212, до лёгких, таких как бериллий-11.
Использование HIE-ISOLDE для ускорения пучка ядер ртути-206 (с энергией 7,38 МэВ на нуклон) на мишень из дейтерия позволило учёным впервые исследовать структуру нейтронов ртути-207.
Исследователи использовали HIE-ISOLDE для изучения того, насколько легко короткоживущие ядра франция-210 и радия-210, созданные в реакциях переноса нуклонов, подвергаются делению. Чувствительная установка, основанная на детекторах Timepix3, позволила точно отслеживать быстрые нейтроны.
Проблема лития — несоответствие между наблюдаемым количеством лития-7 и предсказанным моделями нуклеосинтеза Большого взрыва — озадачивает учёных десятилетиями. Используя луч HIE-ISOLDE из бериллия-7 на станции SEC, исследователи изучили потенциальный путь разрушения бериллия-7.
Некоторые ядра имеют «гало» — слабо связанные протоны или нейтроны, вращающиеся далеко от ядра. Рассеивая лучи HIE-ISOLDE двух таких ядер — бора-8 и углерода-15 — на тяжёлых мишенях в SEC, исследователи пролили новый свет на то, как эти гало неожиданным образом влияют на взаимодействия ядер.
Даже ядра, богатые нейтронами, могут распадаться посредством редких процессов, приводящих к выбросу протонов. В эксперименте HIE-ISOLDE сотни ионов бериллия-11 были имплантированы в оптическую камеру времени, детектор, способный делать «фотографии» отдельных событий распада.
Для полётов к звёздам нужны более мощные технологии, чем химические ракеты. Space X’s Starship может поднимать огромные массы на орбиту и отправлять полезные грузы по всей Солнечной системе, но он не может лететь к ближайшим звёздам со скоростью 30% от скорости света и приземляться. Для полётов за пределы нашего региона космоса нам нужно что-то принципиально более энергичное, чем химическое сгорание, и физика предлагает — или, другими словами, антивещество.
При встрече с обычным веществом антивещество полностью аннигилирует, преобразуя массу непосредственно в энергию согласно уравнению Эйнштейна E=mc². Этот c² член приблизительно равен 10¹⁷, что является почти непостижимо большим числом. Это делает антивещество примерно в 1000 раз более энергетичным, чем ядерное деление, наиболее мощный источник энергии, используемый в настоящее время на практике.
Как источник энергии антивещество потенциально может позволить космическим аппаратам достигать ближайших звёзд со значительными долями скорости света. Детальный технический анализ, проведённый Кейси Хэндмером, генеральным директором Terraform Industries, описывает, как человечество может разработать практическую антивещественную тягу в рамках существующих космических бюджетов.
Превращение теоретической физики в работающее оборудование — это вызов. Три основных препятствия стоят между нами и космическими аппаратами на антивеществе: производство достаточного количества, безопасное хранение и проектирование двигателей, которые могут их использовать.
Производство антивещества в настоящее время составляет тысячи атомов в день на таких объектах, как ЦЕРН, что является впечатляющим прогрессом по сравнению с десятилетней давностью, но примерно аналогично мощности производства плутония в конце 1940-х годов. Процесс остаётся чрезвычайно неэффективным примерно на 0,000001%, требуя больших ускорителей частиц и вакуумных накопительных колец. Однако недавние демонстрации, достигшие восьмикратного повышения эффективности, предполагают возможность быстрого улучшения.
Хранение представляет собой более сложную задачу, поскольку антивещество мгновенно аннигилирует при контакте с любым обычным веществом. Текущие системы используют электромагнитные накопительные кольца для содержания заряженных антивещественных плазм, но они большие, тяжёлые и хрупкие.
Более перспективный подход может включать электростатическое удержание, удерживая крошечную каплю или кристалл антиводорода в криогенно охлаждённой вакуумной камере с помощью тщательно контролируемых электрических полей. Это напоминает технологию, уже используемую в квантовых компьютерах, и может быть безопасно протестировано с обычным водородом путём инвертирования заряда.
Исследователи из Университета Инсбрука показали, что квантовые датчики могут оставаться высокоточными даже в чрезвычайно шумных условиях. Это первая экспериментальная реализация мощного квантового протокола зондирования, превосходящего все сравнимые классические стратегии — даже в условиях подавляющего шума.
Квантовые датчики обещают беспрецедентную точность измерений, но их преимущество может быстро исчезнуть в реалистичных средах, где преобладает шум. Исследователи под руководством Бена Лэнио из Департамента экспериментальной физики Университета Инсбрука показали, как преодолеть это препятствие. Их новая работа показывает, что при правильном виде квантовой подготовки датчики могут оставаться защищёнными от разрушительного шума, одновременно обнаруживая сигналы, которые учёные хотят измерить.
Используя три иона кальция, удерживаемых на месте электрическими полями, исследовательская группа создала особый тип квантовой запутанности, который позволяет датчикам игнорировать нежелательные возмущения. Даже когда команда вводила быстро меняющийся магнитный шум — достаточно сильный, чтобы победить все стандартные методы зондирования, — запутанные датчики оставались точными.