Ускорители частиц используются не только для моделирования столкновений, воспроизводящих условия ранней Вселенной. Эти аппараты также служат источником редких и необычных элементарных составляющих материи, которые крайне редки в обычных условиях. Самая трудная задача – это удержание таких частиц, чтобы ученые могли получить необходимые данные.

Ионы с высоким зарядом — это атомы, лишенные большего числа электронов различными методами. Это могут быть и ядра без электронной оболочки. Для их создания в лабораторных условиях требуется воздействие мощной энергии и сильных полей.

Как правило, эти частицы создаются с использованием ускорителей частиц, где высокозарядные ионы перемещаются на значительной скорости. Для проведения физических исследований необходимо остановить, удержать и снизить температуру таких ионов – сложная инженерная задача. Специально для решения этой проблемы был создан институт тяжелых ионов в Германии, GSI разработали установку HITRAP (High Charge Ion Trap).

С помощью HITRAP Ученым впервые удалось снизить скорость и зафиксировать полностью заряженные ионы аргона ( ³⁶Ar¹⁸⁺). Их перемещение происходило со скоростью, составляющей около трети от скорости света. Существенное замедление позволило удерживать частицы в ловушке Пеннинга. Кроме того, группа исследователей впервые применила электронное охлаждение для таких ионов в этой же конструкции. Описанные результаты опубликовали в журнале Physical Review X.

Группа ученых заявила об успешном выполнении полного цикла: от создания высокозарядных ионов до их длительного удержания (не менее 11 секунд) в специализированной ловушке. Это стало первым подобным достижением.

Для удержания частиц в ловушке Пеннинга применяют комбинацию магнитных и электрических полей. Магнитное поле ограничиваетДвижение частиц происходит вдоль одной оси, а электрическое поле – по другой. В третьей плоскости траектория движения определяется циклотронной частотой частицы. Анализируя эту частоту, исследователи могут определить параметры захваченных ионов. Для удержания их в ловушке кинетическая энергия была уменьшена приблизительно на три порядка.

Однако, уровень энергии ионов оставался недостаточным для проведения детальных экспериментов. Для его уменьшения была применена методика электронного охлаждения, посредством которой в ловушку допустилиОхлаждение достигается путем воздействия пучка электронов с определенной энергией, подобранной для взаимодействия с аргоновыми ионами. В результате столкновения электроны поглощают часть энергии у ионов, что приводит к их охлаждению и увеличению времени пребывания в ловушке.

Это первое задокументированное применение технологии электронного охлаждения в ловушке Пеннинга при работе с ионами высокой степени заряженности. Ученые полагают, что разработанный ими метод ускорит изучение тяжелых ионов с большим электрическим зарядом. В отличие от стандартной газовой системы охлаждения, используемой в подобных ситуациях, электронное охлаждение позволяет сохранить высокую точность измерений.