伽玛工厂：欧洲核子研究中心（CERN）推出的新型“超级光源”，可深入了解原子

GF概念：激光光子（粉红色波）通过在加速器环中循环的PSI散射。散射的光子沿离子运动的方向传播（紫色箭头），从而产生一束强烈的高能伽马射线。

由美因茨参与的国际科学家团队提出了在欧洲核子研究中心（CERN）的高强度伽马辐射源的计划。

由国际科学家组成的“伽马工厂计划”​​目前正在探索一种新颖的研究工具：他们建议利用CERN现有的加速器设施开发高强度伽马射线源。为此，专用离子束将在SPS和LHC存储环中循环，然后将使用激光束对其进行激发，以使它们发射光子。在选定的配置中，光子的能量将在电磁谱的伽马辐射范围内。这与原子核的光谱分析有关特别感兴趣。此外，伽玛射线将被设计为具有非常高的强度，比目前正在运行的系统的强度高几个数量级。在最新一期的《物理学年鉴》（Annalen der Physik）中，研究人员声称，以这种方式建造的“伽马工厂”不仅可以实现光谱学的突破，而且可以通过新颖的方法测试自然的基本对称性。

伽马工厂提案的核心是由重元素（例如铅）制成的特殊离子束，这些离子束已经剥夺了外壳中几乎所有的电子。铅原子通常在原子核中具有82个质子，在其壳中具有82个电子。如果只剩下一个或两个电子，那么结果就是所谓的“部分剥离的离子”，简称PSI。在预期的Gamma工厂环境中，它们将在高能量存储环中循环，例如CERN的超级质子同步加速器（SPS）或大型强子对撞机（LHC）。

PSI为研究现代科学中的各种基本问题提供了独特的机会。在原子物理学中，它们充当一种小型实验室，用于研究当电子受到强电磁场影响时，电子很少的系统的行为-对于PSI，这是由原子核自身产生的。

Gamma Factory的主要概念是使激光束与加速的PSI光束正面碰撞。在“ PSI实验室”中，入射光子可以通过将电子传输到更高的轨道来产生激发态-这构成了理想的测试系统，将有助于使用原子光谱法（一次电子束光谱法）进行详细的研究。反过来，被激光束激发的PSI本身会发出光子，然后可将其用于PSI实验室之外的其他许多实验（二次光束光谱法）中。产生的伽马射线束将以高达400兆电子伏特的高能量为特征，这对应于3飞米的波长。相比之下，可见光的光子能量要小八个数量级，波长相应更大。

“我们提议的伽玛工厂提供了两个非常令人兴奋的前景：一方面，它将是一个非常强烈的光源，它会在非常特定的频段上产生高能的伽玛射线；同时，它将充当一个巨大的离子阱，在这里我们可以使用光谱学来获得在存储环中循环的PSI的非常精确的图像，”约翰内斯·古腾堡大学美因茨大学PRISMA +卓越集群的Dmitry Budker教授解释说。 JGU）和美因茨的亥姆霍兹研究所以及最新出版物的作者之一。“在我们的文章中，我们描述了两种方法提供的许多可能性。另一方面，重要的是要解决与建立这样的伽玛工厂有关的当前和未来挑战。”

初级束光谱学在物理上令人兴奋的应用例子包括：测量PSI中违反原子奇偶性的影响–亚原子粒子之间弱相互作用的结果–以及检测PSI原子核中的中子分布。这样获得的信息将补充在美因茨进行的一些最重要的研究活动。例如，为了研究原子核的结构以及与天体物理学相关的核反应，可以将具有精确控制的极化的次级高能伽马射线束与“固定”极化目标结合使用。次级伽马射线也可用于产生强的三次束，例如中子，μ子或中微子的三次束。

为了确保伽玛工厂的最佳运行，必须克服各种技术挑战。Dmitry Budker指出：“因此，例如，我们需要学习对超相对论PSI进行激光冷却，以减少其能量散布并获得清晰的光束。”“虽然已经研究了较低能量的离子的激光冷却，例如在达姆施塔特的GSI，但还没有像与伽马工厂相关的高能量进行过冷却。”

CERN的Gamma工厂不再只是一个空想，因为在2018年7月，从概念到现实都取得了重大进展。Gamma Factory小组与CERN加速器专家一起设法使氢和氦样铅离子束在SPS中循环了几分钟。随后将类氢束注入LHC，然后在其中循环数小时。Dmitry Budker总结道：“下一个关键步骤是在CERN的SPS上进行专门的原理验证实验，有望验证整个Gamma Factory的概念。”伽马工厂是一项雄心勃勃的提议，目前正在CERN的“碰撞者以外的物理学”计划中进行探讨。

参考：Dmitry Budker，JoséR. CrespoLópez-Urrutia，Andrei Derevianko，Victor V. Flambaum，Mieczyslaw Witold Krasny，Alexey Petrenko，Szymon Pustelny，Andrey Surzhykov和Verdihinok Y.着，“ CERN伽马工厂的原子物理研究”佐洛托列夫（Zolotorev），2020年7月9日，Annalen der Physik.DOI：
10.1002 / andp.202000204