Создание мюонных пучков в устройстве размером с линейку
Исследователи из Национальной лаборатории им. Э. Ферми представили компактный лазерно-плазменный ускоритель (ЛПУ) длиной около 30 см, который может генерировать и обнаруживать высоконаправленные пучки мюонов.
Как это работает
Для ускорения электронных пучков используются интенсивные лазерные импульсы, которые затем создают мюоны в значительно большем количестве и с большей направленностью. Это обеспечивает новую мощную альтернативу для неразрушающей визуализации крупных или скрытых объектов.
Проблемы традиционных источников мюонов
Традиционные искусственные источники мюонов громоздки и дороги, что ограничивало применение мюонной визуализации. Новый ЛПУ преодолевает эти ограничения, производя значительно более высокие потоки мюонов и сокращая время экспозиции с месяцев до минут.
Преимущества мюонной визуализации
В отличие от рентгеновских лучей, которые легко поглощаются, мюоны теряют энергию постепенно, что позволяет им проходить через большие или скрытые структуры, состоящие из сотен метров породы или плотных материалов, таких как свинец и сталь. Благодаря этой исключительной проникающей способности мюонная визуализация позволила обнаружить скрытые камеры в Великой пирамиде Гизы, исследовать внутренности вулканов и проверить ядерные отходы.
Особенности лазерно-плазменного ускорителя
Необходимость в компактном устройстве, которое можно было бы перевозить на место проведения исследований, привела учёных к разработке ЛПУ. Несколько исследований предполагали, что ЛПУ потенциально могут генерировать мюоны в качестве побочного продукта при столкновении лазерно-плазменных электронных пучков с мишенями с высоким атомным номером (Z). Большинство из них были лишь компьютерными прогнозами без экспериментального подтверждения.
В лаборатории BELLA исследователи впервые зарегистрировали и охарактеризовали направленные мюонные пучки, полученные с помощью лазерно-плазменного ускорителя. Используя лазер, учёные ускорили электроны до чрезвычайно высоких энергий в плазменном канале длиной 30 см.
Эти высокоэнергетические электроны затем столкнулись с мишенью с высоким атомным номером (свинцом), где они излучали фотоны при отклонении атомными ядрами. Когда эти энергичные фотоны сталкивались с ядрами мишени, они производили пары мюон–антимюон. Полученные мюоны формировали высоконаправленный коллимированный пучок вдоль первоначального пути электронов с энергиями, достигающими нескольких ГэВ.
Результаты экспериментов
Моделирование и эксперименты выявили две различные популяции мюонов: высокоэнергетические, направленные мюоны, сконцентрированные вдоль оси центрального пучка, и мюоны с более низкой энергией, не направленные, доминирующие в областях, удалённых от центрального пучка.
ЛПУ также генерировал потоки мюонов более чем в 40 раз выше, чем космические лучи, для горизонтальной визуализации. Вместо того чтобы полагаться на редкие потоки мюонов из космических источников, система выдавала более 20 мюонов за один выстрел в пределах апертуры визуализации, обеспечивая исключительное разрешение с беспрецедентной скоростью.
Исследователи отмечают, что эксперимент подтверждает практическую ценность ЛПУ как источника мюонов, открывая путь для будущих приложений, основанных на высокоэнергетических пучках и детекторах, оптимизированных для реконструкции изображений с помощью рассеяния мюонов.