Japońscy fizycy przyspieszyli dodatnie miony do 100 kiloelektronowoltów. Aby to osiągnąć, stworzyli ultrawolne miony poprzez wielofotonową jonizację atomów mionu i przyspieszyli je w kwadrupolu o wysokiej częstotliwości. Sprawozdanie z prac jest dostępne 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 mocy penetracji niż mikroskop elektronowy, umożliwiającego badanie bardzo grubych materiałów.
Stworzenie wydajnego akceleratora mionów nie jest łatwym zadaniem. Intensywny strumień mionów można uzyskać poprzez rozpad mezonów pi, które z kolei powstają, gdy nieruchome tarcze zostaną napromieniowane wiązkami protonów. Wytworzone w ten sposób miony zajmują dużą objętość przestrzeni fazowej, dlatego muszą zostać schłodzone, aby utworzyć wiązki mionów, a następnie przyspieszone. Problem polega na tym, że miony mają krótki czas życia (rzędu dwóch mikrosekund), więc tradycyjne metody chłodzenia cząstek nie sprawdzają się. Naukowcom udało się już rozwiązać ten problem poprzez chłodzenie kriogenicznym helem, ale do tej pory nie było żadnych doniesień o udanym przyspieszeniu 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 mezonów pi w stronę tarczy wykonanej z aerożelu krzemowego (SiO2) o grubości 8 milimetrów, której obie strony zostały napromieniowane laserem impulsowym. Część mionów została spowolniona w tarczy, tworząc atomy mionu (𝜇+e-). Następnie atomy mionów rozpadały się pod wpływem fotonów z lasera, a schłodzone w ten sposób miony były kierowane przez pole eklektyczne do akceleratora. Jako akceleratora fizycznego wykorzystali kwadrupol wysokiej częstotliwości o długości około dwóch metrów, mocy szczytowej 2,6 kilowatów i częstotliwości około 324 megaherców. Naukowcy przeanalizowali charakterystykę wiązki za pomocą magnesu zginającego w poziomie, anody mikrokanałowej i monitora profilu wiązki zainstalowanego za kwadrupolem w linii diagnostycznej.
W rezultacie naukowcom udało się przyspieszyć wiązki dodatnich mionów do 100 kiloelektronowoltów, co odpowiada w przybliżeniu 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. Poprzecznie 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, który mógłby posłużyć zarówno do bezpośredniego badania mionów, jak i do rozwiązywania innych problemów fizycznych.
O tym, jak miony są już badane, możesz przeczytać w naszym artykule „Spadli z nieba”.