В Германии впервые захвачены ядра атомов аргона, движущиеся со скоростью 30% от скорости света, и осуществлено электронное охлаждение

3 августа исследователи из Института тяжёлых ионов (GSI) в Германии с помощью установки HITRAP — ловушки для высокозарядных ионов — впервые успешно замедлили и захватили полностью ионизированные ионы аргона (^36Ar^18+). Такие ионы лишены всех электронных оболочек и могут рассматриваться как “голые ядра”, их начальная скорость движения составляет примерно 30% от скорости света. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X.

Внутри радиочастотного резонатора, замедляющего скорость ионов

Высокозарядные ионы обычно требуют получения с помощью ускорителей частиц и формируются в условиях сильных электрических полей и высоких энергий. Поскольку после образования эти ионы движутся с чрезвычайно высокой скоростью, для проведения прецизионных физических измерений их необходимо сначала остановить, захватить и охладить. Исследовательская группа сообщила, что в ходе данного эксперимента впервые был реализован полный процесс — от получения высокозарядных ионов до их хранения в специальной ловушке в течение как минимум 11 секунд.

В эксперименте использовалась ловушка Пеннинга, в которой частицы удерживаются совместным действием магнитного и электрического полей. Однородное магнитное поле заставляет ионы совершать спиральное движение в радиальном направлении, ограничивая их движение в двух направлениях; электростатическое поле удерживает ионы в третьем направлении, предотвращая их уход вдоль силовых линий магнитного поля. Для попадания в эту ловушку кинетическая энергия ионов аргона должна быть снижена примерно в 10000 раз.

После захвата энергия ионов остаётся достаточно высокой, что затрудняет проведение точных исследований. Затем исследователи применили метод электронного охлаждения, введя в ловушку Пеннинга пучок электронов, энергия которого согласована с энергией ионов аргона в ловушке. В процессе взаимодействия с ионами электроны забирают часть энергии, что приводит к дальнейшему охлаждению ионов и увеличению времени их удержания в ловушке.

Исследователи отмечают, что это первый случай применения метода электронного охлаждения для обработки высокозарядных ионов в ловушке Пеннинга. Данный результат может создать новые экспериментальные условия для высокоточных измерений тяжёлых и высокозарядных ионов и способствовать дальнейшему развитию соответствующих ядерно-физических исследований.