Zespół naukowców pracujących w amerykańskim Brookhaven National Laboratory stworzyli i przetestowali niedawno działo elektronowe o najwyższym dotychczas napięciu. To bardzo ważny krok na drodze do zbudowania zderzacza elektronów i jonów EIC (Electron-Ion Collider). Wyniki osiągnięte w trakcie testów są naprawdę imponujące.
Według planów budowany właśnie akcelerator będzie służył do przyspieszania, a następnie zderzania ze sobą elektronów ze spolaryzowanymi protonami oraz jonami. Pierwsze testy działa wykazały, że jest one gotowe nie tylko sprostać wymaganiom naukowców, ale nawet znacząco przekraczać minimalne dla niego wymagania.
Sterowane laserowo działo elektronowe w trakcie testów było w stanie wystrzeliwać 70 miliardów elektronów z prędkością 80 proc. prędkości światła. Co więcej, urządzenie osiągnęło napięcie 350 kV w ciągu 23 godzin i pracowało bez konieczności jakiejkolwiek obsługi bezustannie przez sześć miesięcy.
Spolaryzowane działo elektronowe to punkt startowy, z którego do wnętrza zderzacza EIC będzie wprowadzany strumień cząstek. Warto tutaj uzmysłowić, co się w takim urządzeniu dzieje.
Na długości zaledwie 5 centymetrów elektrony są w nim przyspieszane od 0 do 80 proc. prędkości światła. Mówimy tu zatem o zwiększaniu prędkości od 0 do 800 milionów kilometrów na godzinę w ciągu dwóch dziesięciomiliardowych części sekundy.
Kluczowe jest tutaj także dbanie o to, aby wiązki elektronów były ze sobą wyrównane pod względem spinu. Choć już samo stworzenie takiego urządzenia wydaje się wprost niewiarygodne, to jest to dopiero początek przygody. Docelowo naukowcy chcą zajrzeć do wnętrza protonu i dowiedzieć się jak on powstaje w kwarków i gluonów. Aby jednak się tego dowiedzieć, konieczne jest szczegółowe badanie zderzeń precyzyjnie spolaryzowanych elektronów ze spolaryzowanymi protonami. Bez tego nie będzie możliwości zbadania faktycznego spinu protonu.
Czytaj także: Wielki Zderzacz Hadronów gotowy na kolejne odkrycia. Rusza trzeci cykl pracy akceleratora CERN
Jak informują naukowcy, działo elektronowe jest kontrolowane przez precyzyjną wiązkę laserową. Krótkie impulsy laserowe pozwalają sterować długością wiązki emitowanych przez działo elektronów, tak aby w każdym impulsie znajdowało się ich około 70 miliardów. Naukowcy sterują ich spinem za pomocą polaryzacji wiązki laserowej.
Stworzenie takiego działa elektronowego wymagało opracowania zupełnie nowej technologii. Fotokatoda emitująca elektrony umieszczona jest w nim w wysokiej próżni. Podłączone jest do niej nowatorskie złącze wysokiego napięcia. W ten sposób nie ma konieczności stosowania gazów izolujących. Cały system utrzymywany jest w niskiej temperaturze, bowiem napięcie nie wycieka na zewnątrz. Cały przewód pokryty jest natomiast warstwą półprzewodnikową, która kontroluje wysokie ładunki. Na etapie produkcji badacze musieli także poradzić sobie z wyciekaniem atomów wodoru ze stali nierdzewnej. Takie atomy mogły powodować zakłócenia wiązek elektronowych. W tym celu trzeba było komponenty ze stali nierdzewnej wypolerować dosłownie na lustrzany połysk, a następnie wypalić je w wysokiej temperaturze.
Jak się okazało podczas testów, wysiłek się opłacił. Urządzenie produkowało wysokiej jakości wiązki elektronowe przez blisko pół roku. Już teraz naukowcy pracują nad stworzeniem urządzenia o jeszcze wyższym napięciu. Być może, zanim EIC powstanie, wiązki elektronowe będą cechowały się jeszcze wyższą jakością.