Мюоны — это элементарные частицы, которые похожи на электроны, но тяжелее их и очень быстро распадаются (всего за несколько микросекунд). Изучение мюонов может помочь проверить и уточнить стандарты физики элементарных частиц, а также потенциально открыть новые явления или эффекты.
До сих пор генерация мюонов в экспериментальных условиях осуществлялась в основном с помощью протонных ускорителей, которые являются большими и дорогими приборами. Мюоны также могут возникать из космических лучей — потоков высокоэнергетических частиц, исходящих из космоса, которые могут сталкиваться с атомами в атмосфере Земли, производя мюоны и другие вторичные частицы.
Исследователи из Китайской академии инженерных наук (CAEP), лаборатории Гуандун, Китайской академии наук (CAS) и других институтов недавно представили новый метод получения мюонов в экспериментальных условиях с помощью ультракороткого лазера высокой интенсивности.
Используя этот метод, описанный в статье, опубликованной в Nature Physics, они достигли высокого выхода мюонов, до 0,01 мюона на каждый входящий электрон.
«Мюоны играют важную роль как в фундаментальных физических исследованиях, так и в прикладных физических исследованиях», — сказал Юци Гу, соавтор статьи, в интервью Phys.org.
«Обычно мюоны приходят из космических лучей или протонных ускорителей. Первые ограничены очень низким потоком (менее 1/см²/мин), а вторые — ограниченными возможностями и высокими эксплуатационными расходами. Благодаря быстрому развитию технологии chirped pulse amplification (CPA), основанной на технологии лазерного ускорения в волне (LWFA), электроны могут быть ускорены до уровня ГэВ в пределах нескольких сантиметров».
Используя недавно разработанные методы лазерной амплитуды, Гу и его коллеги попытались получить мюоны посредством взаимодействия высокоэнергетических электронов с конверсионной мишенью. Их недавняя статья — первая, в которой сообщается об успешной генерации мюонов в лазерной лаборатории.
«Взаимодействие между высокоэнергетическими электронами и конверсионной мишенью — это очень сложный процесс, включающий множество вторичных радиационных процессов, таких как гамма-лучи, нейтроны, электроны и так далее», — объяснил Гу.
«Поскольку сечение образования мюонов невелико, трудно подтвердить генерацию мюонов с помощью магнитного спектрометра и других методов, и детектор склонен к насыщению этими вторичными излучениями».
Чтобы подтвердить, что частицы, генерируемые их ультракоротким лазером высокой интенсивности, действительно являются мюонами, исследователям пришлось разработать альтернативный подход, не основанный на магнитных спектрометрах. В конечном итоге они смогли идентифицировать мюоны, измерив время их покоя перед распадом (то есть, как долго они жили в состоянии покоя перед распадом).
«С одной стороны, поскольку мюоны имеют время жизни в микросекундном диапазоне, они могут избежать помех от вторичных излучений, — сказал Гу. — С другой стороны, время жизни мюонов (2,2 микросекунды) является уникальным физическим сигналом, который можно легко отличить от других случайных фоновых совпадений».
Эксперимент, проведённый Гу и его коллегами, дал очень многообещающие результаты.
С помощью предложенных методов они смогли чётко определить спектр времени жизни частиц, и наблюдаемый спектр соответствовал известному времени жизни мюонов, что подтвердило факт их генерации.
«Мы впервые создали источник мюонов на новой платформе в лазерной лаборатории, — сказал Гу. — Мы достигли выхода 0,01 мюонов на электрон. Принимая этот эксперимент за пример, выход мюонов может достигать 10⁷ мюонов за один импульс. В дополнительной информации к статье мы дополнительно оценили выходы поверхностных мюонов и мюонов распада в текущих экспериментальных условиях, и ожидается, что выход достигнет 10³ мюонов в секунду».
«Этот новый тип источника мюонов позволяет небольшим лазерным лабораториям проводить исследования, связанные с мюонами (например, высокоэнергетическую мюонную радиографию, μSR, MIXE и т. д.), что значительно снижает порог для исследований в области применения мюонов».
Новый подход, разработанный этой группой исследователей, вскоре может позволить эффективно генерировать мюоны в небольших лабораториях, опираясь на лазерную технологию. В будущем это может открыть новые захватывающие возможности для исследований, связанных с мюонами, что потенциально может привести к новым результатам и достижениям.