Все известные на данный момент элементарные частицы делятся на три категории – кварки, лептоны и обменные бозоны. Дополняет этот набор бозон Хиггса, не принадлежащий ни к одной из категорий. В общей сложности, с учетом всех возможных значений зарядов фундаментальных взаимодействий Стандартная Модель включает в себя 61 частицу. Это не так уж и много, если вспомнить, что из этих частиц собирается вся окружающая нас Природа.
Очевидно, что чем лучше мы знаем свойства элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, тем лучше мы понимаем «пружины», толкающие мир. Но изучать частицы совсем непросто, в первую очередь из-за их малых размеров, которые по экспериментальным оценкам не превышают 10^{-16} метра. Поэтому физики воспринимают появление каждого нового метода изучения частиц с большим энтузиазмом.
В физике элементарных частиц действует правило: чем частица тяжелее, тем меньше ее время жизни, и тем труднее исследовать ее свойства. В лептонном секторе проще всего работать с электронами, а потому и основной массив накопленных данных связан именно с ними.
Тем ценнее новая методика, разработанная японскими учеными из Университетов Нагои, Осаки и Центра физики высоких энергий KEK, с помощью которой впервые удалось получить изображения мюонных пучков. Мюоны – это заряженные лептоны второго поколения, практически во всем аналогичные электронам. Самые существенные отличия между электронами и мюонами в массе и времени жизни – электрон существует бесконечно, а мюон тяжелее в 207 раз и живет около 2 микросекунд.
С инженерной точки зрения мюоны интересны своим относительно слабым взаимодействием с материей и, как следствие, способностью без особых проблем проникать в твердые тела на значительную глубину. Эта особенность позволяет ученым решать довольно широкий круг задач, начиная от флуоресцентной спектроскопии и заканчивая лучевой терапией рака. Кроме того, тут можно привести необычный пример, когда в 2017 году с помощью методов мюонного сканирования обнаружили скрытую камеру внутри пирамиды Хуфу в Гизе.
Новый метод регистрации мюонов основан на эффекте Черенкова, который возникает тогда, когда заряженные частицы попадают в оптически прозрачные среды (вода, к примеру), в которых свет движется медленнее частиц. В этой ситуации оказывается, что частицы вызывают кратковременную вспышку, «оптический удар», аналогичный звуковому удару, который мы слышим, когда реактивный самолет преодолевает звуковой барьер.
Именно эту вспышку в момент, когда мюонный луч направлялся в воду или в пластиковый сцинтилляционный блок, научились регистрировать японские ученые с помощью специально созданной камеры. Камера позволяет получить изображения мюонов и рождающихся в их распадах позитронов, благодаря чему можно установить дистанцию пробега мюонов в среде до поглощения, а также величину отклонения мюонного луча, когда он проникает в среду.
Получившаяся в итоге установка оказалась компактной, дешевой и простой в использовании – редкость в экспериментальном оборудовании в физике высоких энергий. И вероятнее всего, с этими преимуществами новая методика начнет использоваться во множестве научных областей, подчас совершенно неожиданных.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
