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Trampa de gas amortiguadora

La trampa de gas amortiguador ( BGT ) es un dispositivo que se utiliza para acumular positrones (las antipartículas de los electrones ) de manera eficiente y, al mismo tiempo, minimizar la pérdida de positrones debido a la aniquilación , que ocurre cuando un electrón y un positrón chocan y la energía se convierte en rayos gamma . La BGT se utiliza para una variedad de aplicaciones de investigación, en particular aquellas que se benefician de gases de positrones, plasmas y/o haces pulsados ​​especialmente diseñados. Algunos ejemplos incluyen el uso de la BGT para crear antihidrógeno y la molécula de positronio .

Fig. 1. BGT de tres etapas para acumular positrones: (arriba) estructura del electrodo y (abajo) potencial eléctrico a lo largo de la dirección del campo magnético de 0,15 T. Los positrones incidentes desde la izquierda son atrapados y enfriados, primero por excitación electrónica de moléculas N 2 (A, B, C), y luego por colisiones vibracionales inelásticas (rotacionales) con CF 4 (N 2 ).
Fig. 2. Estructura del electrodo (chapado en oro, 1,7 m de longitud) para un BGT de tres etapas alrededor de 1996.

Diseño y funcionamiento

El diseño esquemático de un BGT se ilustra en la Fig. 1. [1] [2] Consiste en una trampa electromagnética de tipo especialmente diseñada ( Penning o Penning–Malmberg ). [2] Los positrones están confinados en el vacío dentro de una estructura de electrodos que consiste en una pila de electrodos metálicos cilíndricos huecos como el que se muestra en la Fig. 2. Un campo magnético axial uniforme inhibe el movimiento radial de los positrones, y los voltajes impuestos en los electrodos finales evitan la pérdida axial. Estas trampas son famosas por sus buenas propiedades de confinamiento para partículas (como los positrones) de un solo signo de carga. [3]

Dada una trampa diseñada para un buen confinamiento, un desafío restante es llenar eficientemente el dispositivo. En el BGT, esto se logra utilizando una serie de colisiones inelásticas con un gas molecular. En una colisión positrón-molécula, la aniquilación es mucho menos probable que la pérdida de energía debido a la excitación electrónica o vibratoria . El BGT tiene un pozo de potencial escalonado (Fig. 1) con regiones a presión de gas sucesivamente más baja. La excitación electrónica del nitrógeno molecular (N 2 ) en la región de mayor presión se utiliza para atrapar los positrones. Este proceso se repite hasta que las partículas se encuentran en un entorno de presión suficientemente baja y el tiempo de aniquilación es aceptablemente largo. Las partículas se enfrían a la temperatura ambiente del gas debido a las colisiones vibratorias y rotacionales inelásticas.

La eficiencia de la trampa es típicamente del 5 al 30%, pero puede ser hasta del 40%. [4] La formación de positronio (Ps) a través del intercambio de carga (por ejemplo, e ++ N2 -> N2 ++ Ps ) es un proceso de pérdida importante. Se utiliza nitrógeno molecular porque es único en tener un nivel de energía electrónica por debajo del umbral para la formación de Ps; por lo tanto, es el gas de trampa de elección. [5] De manera similar, el tetrafluoruro de carbono (CF4 ) y el hexafluoruro de azufre (SF6 ) tienen secciones transversales de excitación vibracional muy grandes, por lo que estos gases se utilizan para enfriar a la temperatura ambiente (típicamente ~300 K). [6]

Si bien la mayoría de las fuentes de positrones producen positrones con energías que van desde unos pocos kiloelectronvoltios (keV) hasta más de 500 keV, la BGT solo es útil para partículas de energía mucho más baja (es decir, menores o iguales a decenas de electronvoltios). [4] Por lo tanto, los positrones de alta energía de dichas fuentes se inyectan en las superficies de los materiales (los llamados moderadores de positrones) en los que pierden energía, se difunden a la superficie y se vuelven a emitir con energías de electronvoltios. [4] El moderador de elección para la BGT es el neón sólido (~ 1% de eficiencia de conversión [7] ), congelado en una superficie metálica fría.

La vida útil en la etapa final de captura está limitada por la aniquilación y normalmente es menor o igual a 100 segundos, lo que limita el número total de positrones atrapados. Si se desea un mayor número de partículas, los positrones se transfieren a una trampa Penning-Malmberg de ultra alto vacío (UHV) en un campo magnético de varios Tesla . La aniquilación es insignificante en UHV. El enfriamiento de positrones (necesario para combatir el calentamiento debido a efectos extrínsecos) ahora se debe a la emisión de radiación ciclotrónica en el gran campo magnético. [4] Este proceso de acumulación y transferencia se puede repetir luego para construir colecciones más grandes de antimateria .

Historia y usos

El BGT se inventó en la década de 1980, originalmente destinado a estudiar el transporte de positrones en plasmas tokamak (de fusión) . [8] Posteriormente, la técnica se perfeccionó y ahora se utiliza en laboratorios de todo el mundo para una variedad de aplicaciones. Incluyen el estudio de las interacciones de positrones con átomos y moléculas , materiales y superficies de materiales; [9] [10] [11] [12] la creación de antihidrógeno , [13] [14] [15] [16] la molécula de positronio (es decir, Ps 2 , e + e − e + e − ), [17] y nuevos haces de positrones [18] y positronio. [19] También se espera que los BGT desempeñen papeles igualmente importantes en los esfuerzos por crear y estudiar los condensados ​​de Bose-Einstein (BEC) de átomos de positronio [20] y un plasma clásico de "par" electrón-positrón . [4] [21] [22]

Véase también

Referencias

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