На ускорителях частиц проводят не только столкновения, моделирующие условия первых секунд существования Вселенной, но и создают редкие, экзотические частицы, которые практически не встречаются в природе. Помимо их получения, одной из главных задач является удержание этих частиц для проведения измерений.

Высокозарядные ионы — это атомы, потерявшие несколько электронов, вплоть до полностью ионизированных ядер без электронной оболочки. Для их создания в лабораторных условиях требуются высокие энергии и сильные поля. Обычно такие ионы получают на ускорителях, где они движутся с большими скоростями. Для проведения физических экспериментов необходимо замедлить, захватить и охладить эти ионы, что представляет собой сложную задачу. В Институте тяжелых ионов GSI в Германии была разработана установка HITRAP (High Charge Ion Trap) специально для этих целей.

С помощью HITRAP впервые удалось замедлить и полностью захватить полностью ионизированные ионы аргона (36Ar18+), которые двигались со скоростью около 30% от скорости света. Значительное торможение позволило удержать частицы в ловушке Пеннинга. Также впервые было проведено электронное охлаждение высокозарядных ионов в такой ловушке. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Physical Review X.

Легкие атомные ядра были защищены от воздействия экстремально высоких температур, характерных для ускорителей. Ранее не было ясно, почему легкие ядра не разрушаются при таких температурах, однако выяснилось, что они формируются не в самом центре столкновения.

Впервые научной группе удалось пройти весь путь — от генерации высокозарядных ионов до их хранения в специальной ловушке в течение не менее 11 секунд.

В ловушке Пеннинга для хранения частиц используются магнитное и электрическое поля: магнитное ограничивает движение по одной оси, электрическое — по другой. В плоскости третьей оси частица движется по траектории, определяемой циклотронной частотой. По наблюдениям за этой частотой можно вычислить характеристики захваченной частицы. Для захвата ионов их кинетическую энергию пришлось уменьшить примерно в 10 000 раз.

Даже после этого энергия ионов оставалась слишком высокой для точных исследований, поэтому применили электронное охлаждение. В ловушку ввели пучок электронов с энергией, подобранной под ионы аргона. При столкновениях электроны забирали часть энергии у ионов, постепенно охлаждая их и увеличивая время их жизни в ловушке.

Это первый описанный случай применения электронного охлаждения в ловушке Пеннинга для высокозарядных ионов. Такой подход, в отличие от традиционного газового охлаждения, позволяет подготовить ионы для высокоточных измерений и способствует дальнейшему развитию исследований тяжелых высокозарядных ионов.