The PUMA offline ion source beamline

Nel profondo del cuore di un atomo, i bordi esterni sono spesso i luoghi più misteriosi. Mentre il centro è densamente compatto con protoni e neutroni, la superficie stessa può estendersi in una nuvola sottile e diffusa. In alcuni atomi pesanti, questa nuvola è composta principalmente da neutroni, formando una "pelle" che cambia il modo in cui l'intero nucleo si comporta. In altri, vicino ai limiti estremi di ciò che può esistere, alcune particelle potrebbero fluttuare così lontano da formare un "alone". Comprendere queste strutture delicate è fondamentale perché contengono indizi sulle forze che legano la materia insieme, forze che governano anche il comportamento delle stelle di neutroni, gli oggetti più densi dell'universo. Per studiare questi strati esterni, gli scienziati hanno bisogno di un modo per sondare il bordo di un atomo senza distruggerlo. L'esperimento PUMA, situato al CERN in Svizzera, mira a fare esattamente questo, facendo scontrare antiprotoni a bassa energia — particelle di antimateria — contro le superfici di nuclei atomici. Quando un antiprotone incontra un protone o un neutrone proprio al bordo del nucleo, si annichilano, e studiando i detriti, gli scienziati possono mappare la densità della superficie nucleare.

Tuttavia, esiste un significativo ostacolo logistico. L'impianto che produce gli antiprotoni a bassa energia si trova lontano dall'impianto che crea gli atomi radioattivi necessari per l'esperimento. Per colmare questo divario, il team PUMA deve trasportare gli antiprotoni verso gli atomi radioattivi. Prima di poter tentare questo complesso viaggio con materiali radioattivi instabili, devono prima dimostrare che la loro tecnica funzioni con atomi stabili e sicuri. Ciò richiede una macchina specializzata che possa prendere un gas grezzo, trasformarlo in un fascio di ioni, pulirlo per garantire che sia presente un solo tipo specifico di atomo e poi impacchettarli in gruppi stretti e freddi. Se questa macchina non dovesse fornire un fascio puro e intenso, i delicati antiprotoni andrebbero persi nel rumore di fondo prima ancora di poter incontrare il loro bersaglio.

I ricercatori hanno ora costruito e testato questa macchina essenziale, chiamata PUMA Offline Ion Source, o POLIS. È un lungo tunnel sigillato sottovuoto che svolge una serie di compiti precisi. Per prima cosa, prende un gas, come il krypton, e usa un flusso di elettroni per strappare elettroni agli atomi, trasformandoli in ioni carichi positivamente. Questo crea un flusso continuo di particelle. Per rendere utile questo flusso, la macchina lo taglia in piccoli pacchetti, come se si affettasse una lunga corda in brevi segmenti. Questi pacchetti entrano poi in un dispositivo di smistamento massiccio e ad alta precisione, noto come spettrometro di massa a tempo di volo a riflessione multipla. All'interno di questo dispositivo, gli ioni rimbalzano avanti e indietro tra specchi elettrici migliaia di volte. Poiché gli ioni più pesanti si muovono leggermente più lentamente di quelli più leggeri, questo rimbalzare permette alla macchina di separarli con estrema precisione, filtrando qualsiasi atomo o molecola indesiderata finché non rimane solo l'isotopo specifico che gli scienziati desiderano.

Una volta che il fascio è puro, gli ioni si muovono ancora troppo velocemente e sono troppo dispersi per essere catturati dalla trappola di accumulo finale. La macchina li rallenta e li inietta in un raggruppatore-raffreddatore a quadrupolo a radiofrequenza. Questo dispositivo agisce come un imbuto, usando un gas delicato per rallentare gli ioni e comprimerli in un gruppo stretto e freddo. Il team ha testato questo sistema utilizzando isotopi stabili di krypton, che sono gas pesanti e inerti. Hanno scoperto che, ripetendo il processo di taglio, smistamento e impilamento, potevano accumulare più di diecimila ioni in un singolo gruppo. Questa intensità è critica; se il fascio è troppo debole, il segnale dalle collisioni degli antiprotoni verrebbe sommerso da collisioni casuali con le particelle di gas residue nella camera a vuoto.

Una sfida principale in questo processo è mantenere un vuoto incredibilmente elevato. Gli antiprotoni sono così sensibili che anche una minima quantità di gas può farli scomparire. La macchina deve mantenere la pressione al punto di connessione con la linea del fascio di antiprotoni migliore di cinque volte dieci alla decima negativa di millibar. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha dovuto risolvere un problema complicato: il processo di raffreddamento richiede un gas di tamponamento, ma tale gas non deve fuoriuscire nell'area del vuoto finale. Hanno testato diversi gas, inclusi elio, argon e azoto. Hanno scoperto che l'azoto funzionava meglio, permettendo di raggiungere i livelli di vuoto necessari pur raffreddando efficacementamente gli ioni. Hanno anche scoperto che la qualità della fornitura di gas contava immensamente; l'uso di un sistema realizzato interamente con componenti metallici, piuttosto che con tubazioni in plastica, ha impedito ai contaminanti di accumularsi e rovinare l'intensità del fascio.

I risultati finali mostrano che la macchina è pronta per il suo compito reale. Il team ha creato con successo gruppi puri di vari isotopi stabili del krypton, inclusi quelli più rari, con ogni gruppo contenente oltre diecimila ioni. Questi gruppi erano così densamente impacchettati che misuravano meno di trecento nanosecondi di lunghezza, rendendoli perfetti per l'iniezione nella trappola di accumulo finale. Il sistema ha mantenuto la pressione del vuoto richiesta anche mentre il gas di raffreddamento fluiva, dimostrando che il design isola con successo il sensibile fascio di antiprotoni dal resto della macchina. Con questi test completati, l'intero apparato è ora in fase di preparazione per la spedizione al CERN. Una volta installato, permetterà agli scienziati di eseguire finalmente gli esperimenti con antiprotoni su nuclei stabili, aprendo la strada all'obiettivo ultimo: studiare i misteriosi e diffusi bordi degli atomi radioattivi che esistono solo per un fugace momento.