Примерно каждую секунду через тело обычного человека проходит редкий посланник из космоса — мюон. Эти частицы, похожие на электроны, но имеющие в 200 раз большую массу, образуются естественным путём, когда космические ионы сталкиваются с верхними слоями атмосферы, создавая поток частиц. Мюоны также можно создавать искусственно, но такие пучки мюонов очень разрежены по сравнению с более привычными пучками электронов, протонов и ионов.
За последние несколько десятилетий исследователи разработали способ создания гораздо более плотных пучков мюонов. Однако сложность работы с такими пучками мешала учёным реализовать их потенциал в качестве исследовательского инструмента.
Теперь команда Японского комплекса исследований на протонном ускорителе (J-PARC) успешно продемонстрировала возможность управления плотным пучком мюонов, впервые ускорив мюоны в радиочастотном устройстве. Ранее мюонные пучки ускорялись с помощью электростатических полей, но такие методы не могут достичь энергий частиц более 100 МэВ, которых хотели бы достичь исследователи.
Использование радиочастотного ускорения командой J-PARC — важный шаг на пути к расширению диапазона применения мюонных пучков и может открыть новые способы исследования пределов стандартной модели физики элементарных частиц.
Искусственно созданные мюоны в лабораториях
Несмотря на экстремальность их естественного происхождения, искусственно созданные мюоны ежедневно используются в лабораториях по всему миру, где они позволяют, например, проводить точные измерения новых материалов. Они также могут дать ключ к пониманию новой физики.
Из-за странной природы квантовой физики каждый мюон действует как крошечный стержневой магнит, когда он летит через пространство. Ориентация этого диполя прецессирует, когда мюон движется через магнитное поле, причём частота прецессии указывает на силу магнитного момента мюона.
Точные измерения этого магнитного момента были выполнены командой g – 2 в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab), штат Иллинойс, которая наблюдала мюоны в очень хорошо охарактеризованном магнитном поле. Были обнаружены крошечные отклонения прецессии спина от ожидаемого значения, что заставило физиков усомниться в их понимании того, как силы и частицы взаимодействуют на фундаментальном уровне.
Решение проблемы расхождения
Разрешение этого расхождения — главный приоритет физики, но для достижения прогресса исследователям нужны интенсивные мюонные пучки с высокими и однородными энергиями. Мюонные пучки обычно производятся искусственно путём обстрела высокоэнергетическими протонами графитовой или металлической мишени.
Подобно космическим лучам, ударяющим по верхним слоям атмосферы, протоны имеют достаточно энергии, чтобы разрушать ядра в мишени, создавая потоки нестабильных частиц, называемых пионами. Эти пионы, которые существуют всего несколько миллиардных долей секунды, распадаются преимущественно на мюоны, которые выходят из мишени с широким спектром траекторий.
Учёные, работающие с пучками, имеют несколько инструментов для управления заряженными частицами в энергетические, когерентные пучки, но эти методы неприменимы для мюонов. Магнитные линзы, например, могут обмениваться распространением углов распространения частиц на разброс положения и наоборот. Но способ создания мюонов из взрывающихся ядер означает, что они слишком энергичны, чтобы ими можно было легко управлять таким образом.
Создание полезного мюонного пучка также означает ускорение частиц до желаемой энергии. Для более легко управляемых частиц, таких как протоны и электроны, это можно сделать с помощью радиочастотных резонаторов, в которых содержится осциллирующее электромагнитное поле. В принципе, этот метод также применим к мюонам, но в то время как протонные и электронные пучки обычно создаются с небольшим разбросом энергий, ядерное происхождение мюонов означает, что эти частицы охватывают гораздо больший энергетический диапазон.
Преодоление трудностей
Один из подходов к преодолению этих трудностей разбивает проблему на два этапа: концентрация частиц, а затем их ускорение. Первый этап, который был продемонстрирован ранее, увеличивает плотность мюонов за счёт резкого замедления частиц. В этой технике, известной как лазерное ионизационное охлаждение, мюоны, высвобождаемые из мишени, останавливаются в аэрогелевой губке очень низкой плотности. Здесь мюоны связываются с электронами в аэрогеле, образуя мюоний — водородный атом, состоящий из мюона и электрона, который дрейфует по материалу.
Когда частицы мюония выходят из аэрогеля, для выбивания электронов используется мощный лазер, оставляя голые мюоны в компактном пучке с чрезвычайно низкой энергией.
Команда J-PARC продемонстрировала второй этап, на котором холодный мюонный пучок, полученный методом лазерного ионизационного охлаждения, впоследствии повторно ускоряется. Команда сделала это, пропустив пучок через специальный радиочастотный резонатор, известный как радиочастотный квадруполь (RFQ), устройство, обычно используемое для ускорения низкоэнергетических пучков протонов.
В RFQ осциллирующее электрическое поле плотно фокусирует частицы, чтобы остановить их поперечный выход, одновременно придавая им ускорение в продольном направлении, увеличивая их энергию перед тем, как они вытекут из конца устройства.
Успех этого процесса повторного ускорения зависит от предварительной разработки стадии лазерного ионизационного охлаждения. Апертура RFQ слишком мала, чтобы принять обычный мюонный пучок, что требует начального этапа коллимации, а частота колебаний RFQ в 324 МГц требует короткого импульса мюонов, который может уместиться в течение одного 3-наносекундного радиочастотного периода.
Хотя пучок, полученный командой J-PARC, имеет хорошее качество (с точки зрения низкой эмиттанса), его энергия и интенсивность пока недостаточно высоки для экспериментов, которые исследователи надеются провести в будущем. Тем не менее демонстрация потенциала повторного ускорения холодных мюонов — это захватывающий шаг вперёд.
Другие группы исследуют альтернативные методы получения таких пучков, например, используя новую комбинацию скрещённых электрических и магнитных полей для охлаждения мюонов или используя более высокоэнергетическое ионизационное охлаждение, которое можно применять к релятивистским мюонам.
Независимо от метода их получения, мюонные пучки — это захватывающая и развивающаяся область с применением в широком спектре фундаментальных и прикладных наук. Когда команда J-PARC достигнет достаточно высоких энергий, одним из первых применений пучка будет чрезвычайно точное измерение магнитного момента мюона с помощью устройства гораздо меньшего размера, чем то, которое использовалось командой Fermilab. Это позволит провести дополнительный косвенный анализ стандартной модели физики элементарных частиц.
Результат J-PARC также прокладывает путь для ускорения мюонов до рекордных энергий. Такой пучок можно было бы столкнуть с высокоэнергетическим электронным пучком или другим мюонным пучком, что позволило бы провести прямую проверку стандартной модели физики элементарных частиц с точностью, сравнимой с точностью предлагаемого будущего кругового коллайдера в ЦЕРНе, но на гораздо меньшем объекте.