24.07.2020 – Johannes Gutenberg-Universität Mainz

La ‘Fábrica de Gamas’ permitirá no sólo avances en la espectroscopia sino también nuevas formas de probar las simetrías fundamentales de la naturaleza

La “Iniciativa de la Fábrica de Gamas” – un equipo internacional de científicos – está actualmente explorando una novedosa herramienta de investigación: Proponen desarrollar una fuente de rayos gamma de alta intensidad utilizando las instalaciones de aceleración existentes en el CERN. Para ello, se harán circular haces de iones especializados en los anillos de almacenamiento de SPS y LHC, que luego serán excitados utilizando rayos láser para que emitan fotones. En la configuración seleccionada, las energías de los fotones estarán dentro del rango de radiación gamma del espectro electromagnético. Esto es de particular interés en relación con el análisis espectroscópico de los núcleos atómicos. Además, los rayos gamma se diseñarán para que tengan una intensidad muy alta, varios órdenes de magnitud superior a los de los sistemas actualmente en funcionamiento. En el último número de la revista Annalen der Physik, los investigadores afirman que una “Fábrica de rayos gamma” construida de esta manera permitirá no sólo avances en la espectroscopia sino también nuevas formas de probar las simetrías fundamentales de la naturaleza.

En el corazón de la propuesta de la Fábrica de Gamma están los haces de iones especiales hechos de elementos pesados como el plomo que han sido despojados de casi todos los electrones de la capa exterior. Un átomo de plomo normalmente tiene 82 protones en el núcleo y 82 electrones en su envoltura. Si sólo quedan uno o dos electrones, lo que resulta son los llamados “iones parcialmente despojados” – PSIs para abreviar. En el escenario de la futura Fábrica de Gamma, circularán en un anillo de almacenamiento de alta energía, como el Super Protón Sincrotrón (SPS) o el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN.

Los PSI ofrecen oportunidades únicas para investigar varias cuestiones fundamentales de la ciencia moderna. En la física atómica sirven como una especie de mini-laboratorio para investigar cómo se comportan los sistemas con pocos electrones cuando se exponen a fuertes campos electromagnéticos – que, en el caso de los PSI, son producidos por los propios núcleos atómicos.

El concepto principal de la Fábrica de Gamma es hacer que un rayo láser choque de frente con un rayo PSI acelerado. En el “laboratorio PSI”, los fotones incidentes pueden generar estados de excitación transportando electrones a órbitas más altas – esto constituye un sistema de prueba ideal que facilitará investigaciones detalladas usando la espectroscopia atómica (espectroscopia de haz primario). A su vez, los PSI excitados por el propio rayo láser emiten fotones, que pueden utilizarse en otros numerosos experimentos “fuera” del laboratorio de PSI (espectroscopia de rayo secundario). El rayo gamma resultante se caracterizará por altas energías de hasta 400 megaelectrones voltios, lo que corresponde a una longitud de onda de 3 femtómetros. A modo de comparación, la energía fotónica de la luz visible es ocho órdenes de magnitud más pequeña, con una longitud de onda correspondientemente mayor.

“La Fábrica de Gamma que proponemos ofrece dos perspectivas inmensamente excitantes: Por un lado, será una fuente de luz muy intensa que produce rayos gamma de alta energía en una banda de frecuencias muy específica; al mismo tiempo, actuará como una gigantesca trampa de iones en la que podemos utilizar la espectroscopia para obtener una imagen muy precisa de los PSI que circulan en el anillo de almacenamiento”, explica el Prof. Dmitry Budker del Cluster de Excelencia PRISMA⁺ de la Universidad de Maguncia y el Instituto Helmholtz de Maguncia y uno de los autores de la reciente publicación. “En nuestro artículo, describimos las muchas posibilidades que ofrecen los dos enfoques. Por otra parte, es importante abordar los desafíos actuales y futuros asociados con el establecimiento de una Fábrica de Gamma como esta”.

Entre los ejemplos de aplicaciones físicas apasionantes de la espectroscopia de haz primario figuran la medición de los efectos de la violación de la paridad atómica en la PSI – resultado de las débiles interacciones entre las partículas subatómicas – así como la detección de la distribución de los neutrones en los núcleos de la PSI. La información así obtenida complementaría algunas de las actividades de investigación más importantes que se están llevando a cabo en Maguncia. Los haces secundarios de rayos gamma de alta energía con polarización controlada con precisión pueden utilizarse junto con objetivos polarizados “fijos”, por ejemplo, para investigar la estructura de los núcleos atómicos así como las reacciones nucleares pertinentes para la astrofísica. Los rayos gamma secundarios también pueden utilizarse para generar haces terciarios intensos, por ejemplo, los de neutrones, muones o neutrinos.

Habrá que superar una serie de retos tecnológicos para asegurar el funcionamiento óptimo de la Fábrica de Gamma. “Así, por ejemplo, tenemos que aprender a realizar el enfriamiento láser de PSI ultrarelativista para reducir su dispersión de energía y obtener un rayo bien definido”, señala Dmitry Budker. “Aunque el enfriamiento por láser de iones a energías más bajas ya ha sido investigado, en la GSI de Darmstadt por ejemplo, no se ha realizado todavía a energías tan altas como las que se asociarán a la Fábrica de Gamma”.

La Fábrica de Gamma en el CERN ya no es sólo una quimera, porque en julio de 2018, se hicieron grandes progresos desde el concepto a la realidad. El grupo de la Fábrica de Gamas, junto con los expertos en aceleradores del CERN, consiguió hacer circular haces de iones de plomo similares al hidrógeno y al helio en el SPS durante varios minutos. El haz de hidrógeno se inyectó más tarde en el LHC, donde circuló durante varias horas. “El siguiente paso crucial es la ejecución del experimento de prueba de principio en el SPS del CERN que esperamos valide todo el concepto de Fábrica de Gamma”, concluye Dmitry Budker, esbozando la emocionante siguiente etapa. La Fábrica de Gamas es una propuesta ambiciosa, que actualmente está siendo explorada dentro del programa del CERN “Física más allá de los Colisionadores”.