Japońscy fizycy przyspieszyli dodatnie miony do energii 100 kiloelektronowoltów. Aby to osiągnąć, stworzyli ultrawolne miony poprzez wielofotonową jonizację atomów mionu i przyspieszyli je w kwadrupolu o wysokiej częstotliwości. Raport jest dostępny na portalu preprintów arXiv.org.
Akceleratory mionów mogą stać się ważnymi narzędziami zarówno w naukach podstawowych (np. do precyzyjnego pomiaru anomalnego momentu magnetycznego mionu), jak i w zagadnieniach stosowanych. W szczególności możliwe będzie stworzenie mikroskopu mionowego o znacznie większej zdolności penetracji niż mikroskop elektronowy, przeznaczonego do badania grubych materiałów.
Stworzenie wydajnego akceleratora mionów nie jest łatwym zadaniem. Intensywny przepływ mionów można uzyskać w wyniku rozpadu mezonów pi, które z kolei powstają, gdy nieruchome tarcze są napromieniowywane wiązkami protonów. Powstałe w ten sposób miony zajmują dużą objętość przestrzeni fazowej, dlatego należy je schłodzić, aby mogły utworzyć skupiska mionów, a następnie przyspieszyć te skupiska. Problem leży w krótkim czasie życia mionów (około dwóch mikrosekund), co sprawia, że tradycyjne metody chłodzenia cząstek nie sprawdzają się. Naukowcom udało się już rozwiązać ten problem poprzez chłodzenie za pomocą gazowego helu w temperaturze kriogenicznej, ale jak dotąd nie odnotowano żadnego przypadku skutecznego przyspieszenia mionów po schłodzeniu.
Fizycy z eksperymentu MUSE w japońskim akceleratorze protonów J-PARC rozwiązali oba problemy: potrafili schłodzić miony po ich wygenerowaniu, a następnie przyspieszyć je do energii 100 kiloelektronowoltów. Aby to zrobić, naukowcy skierowali strumień mionów, powstałych w wyniku rozpadu py-mezonów, w stronę tarczy wykonanej z aerożelu krzemowego (SiO2) o grubości 8 milimetrów, której obie strony zostały napromieniowane impulsowym laserem. W tym samym czasie część mionów uległa spowolnieniu w tarczy, tworząc atomy mionu (𝜇+e-). Następnie atomy mionu rozpadły się pod wpływem fotonów z lasera, a schłodzone w ten sposób miony zostały skierowane przez pole eklektyczne do akceleratora. Jako akcelerator fizyczny wykorzystano kwadrupol wysokiej częstotliwości o długości około dwóch metrów, mocy szczytowej 2,6 kilowatów i częstotliwości około 324 megaherców. Naukowcy analizowali charakterystyki wiązki za pomocą magnesu zaginającego w poziomie, anody mikrokanałowej i monitora profilu wiązki zainstalowanego za kwadrupolem w linii diagnostycznej.
W rezultacie naukowcom udało się przyspieszyć wiązki dodatnich mionów do energii 100 kiloelektronowoltów, co odpowiada około czterem procentom prędkości światła w próżni. Naukowcy oszacowali, że wydajność chłodzenia i ekstrakcji mionów wynosi 19 procent, a strata mionów w wiązkach na skutek rozpadów mionów wynosi 3 procent. Poprzeczna znormalizowana emitancja przyspieszonych mionów w płaszczyźnie poziomej i pionowej wynosiła odpowiednio 0,85𝝅 i 0,25𝝅 milimetrów⋅miliradianów, co według naukowców odpowiada zmniejszeniu przestrzeni fazowej o dwa rzędy wielkości i świadczy o dobrej wydajności akceleratora.
Według fizyków uzyskane wyniki wskazują na możliwość stworzenia akceleratora mionów do bezpośredniego badania mionów, jak również do rozwiązywania innych problemów fizyki.
O tym, jak badane są miony, możesz przeczytać w naszym materiale „Spadli z nieba”.