Сегодня основной инструмент в физике элементарных частиц, в физике высоких энергий – это ускоритель частиц. Практически все крупные ускорители сталкивают два встречных пучка из заряженных частиц, разогнанных до больших скоростей с помощью электрических и магнитных полей. Отсюда, от английского collide, сталкиваться, и происходит общее название современных ускорителей – коллайдеры.
Столкнуть с большой энергией две частицы совсем непросто. Основных проблем три. Во-первых, частицы должны столкнуться в небольшой области, где работает детектор, собирающий данные. Эта проблема решается тонкой настройкой всех систем установки. Во-вторых, чтобы частица набрала значительную энергию, ее нужно разогнать до скоростей, близких к скорости света. В современном коллайдере сделать это на короткой дистанции невозможно, поэтому проблема решается с помощью инженерных хитростей. Например, мощные коллайдеры часто строят в виде кольцевого туннеля, внутри которого летит частица, набирая скорость на каждом круге. Третья проблема также связана с ускорением частиц. Любая движущаяся с ускорением заряженная частица излучает в пространство энергию. Это означает, что не вся энергия, которую частице передает коллайдер, тратится на ее ускорение. В случае кольцевого коллайдера такая потеря энергии может достигать огромных величин.
В качестве сталкивающихся частиц на данный момент чаще всего используются пары протон-антипротон и электрон-позитрон. При этом у каждой из пар свои преимущества и недостатки. Протоны тяжелее электронов в 1836 раз, а значит, чтобы столкнуть протон-антипротонную пару с большой энергией, частицы нужно разогнать до относительно небольших скоростей с относительно небольшой потерей энергии на излучение. Но в то же время протон состоит из фундаментальных частиц, кварков, т.е. имеет внутреннюю структуру, из-за которой получаемые в экспериментах данные не очень «чистые». С другой стороны электрон как раз фундаментальная частица без внутренней структуры, поэтому данные будут «чистыми», но при его относительно небольшой массе сопоставимую с протонами энергию столкновения можно получить только при значительно бОльших скоростях, что означает большие потери на излучение в ходе его разгона.
В качестве хорошего компромиссного варианта между парами электрон-позитрон и протон-антипротон ученые рассматривают пару мюон-антимюон. Мюон, также как и электрон, является бесструктурной фундаментальной частицей, что означает получение «чистых» данных, но при этом он тяжелее электрона в 207 раз, что обеспечит значительное уменьшение потерь на излучение.
Основное препятствие в использовании мюонов — их малое время жизни, равное двум микросекундам в собственной системе отсчёта. Но это в собственной системе отсчета. Если же мюон очень быстро разогнать до скоростей, близких к скорости света, их время жизни в системе отсчета коллайдера значительно увеличится.
Создать пучок из мюонов возможно в несколько этапов. Сами мюоны получают, когда сталкивают пучок протонов с мишенью из вещества с тяжёлыми ядрами. Родившиеся в результате столкновения мюоны образуют облако, после чего из этих мюонов необходимо сформировать пучок, сблизив их и заставив двигаться в одном направлении. По смыслу процесс формирования такого пучка состоит в охлаждении мюонного облака с одновременным разгоном мюонов, который увеличивает их продолжительность жизни в коллайдере.
Недавно в рамках Mion Ionization Cooling Experiment (MICE) международная группа исследователей из Национального института науки и технологий Ульсана, Южная Корея, впервые смогла продемонстрировать ионизационное охлаждение мюонов, в результате которого формируется пучок.
В итоге, эта работа закладывает большой такой камень в фундамент создания нового типа ускорителей, которые смогут раздвинуть наше понимание физики элементарных частиц.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
