Japońscy fizycy przyspieszyli dodatnie miony do 100 kiloelektronowoltów. W tym celu 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 mionowe mogą stać się ważnymi narzędziami zarówno w naukach podstawowych (np. do precyzyjnego pomiaru anomalnego momentu magnetycznego mionu), jak i w zastosowaniach praktycznych. W szczególności możliwe będzie stworzenie mikroskopu mionowego o znacznie większej mocy penetracji niż mikroskop elektronowy do badania materiałów o dużej grubości.
Stworzenie wydajnego akceleratora mionów nie jest łatwym zadaniem. Intensywny przepływ mionów można uzyskać dzięki rozpadowi mezonów pi, które z kolei powstają w wyniku napromieniowania stacjonarnych tarcz wiązkami protonów. Miony powstałe w ten sposób zajmują dużą objętość przestrzeni fazowej, dlatego muszą być chłodzone, aby utworzyć skupiska mionów, a następnie przyspieszane. Problem tkwi w krótkim czasie życia mionów (około dwóch mikrosekund), dlatego tradycyjne metody chłodzenia cząstek nie są odpowiednie. Naukowcy zdołali już rozwiązać ten problem, schładzając miony gazowym helem w temperaturze kriogenicznej, ale jak dotąd nie odnotowano udanego przyspieszenia mionów po schłodzeniu.
Fizycy z eksperymentu MUSE w japońskim akceleratorze protonów J-PARC rozwiązali oba problemy: byli w stanie schłodzić miony po ich wygenerowaniu, a następnie przyspieszyć je do 100 kiloelektronowoltów. Aby to zrobić, naukowcy skierowali strumień mionów, powstałych podczas rozpadu py-mezonów, na tarczę wykonaną z aerożelu krzemowego (SiO2) o grubości 8 milimetrów, której obie strony zostały napromieniowane laserem impulsowym. Jednocześnie część mionów zwolniła 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 zastosowano 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 wiązkę 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 około czterem procentom prędkości światła w próżni. Naukowcy oszacowali wydajność chłodzenia i ekstrakcji mionów na 19 procent, a utratę mionów w wiązkach na trzy procent w wyniku ich rozpadu. Znormalizowana poprzecznie emitancja przyspieszonych mionów w płaszczyźnie poziomej i pionowej wyniosła 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 „Spadające z nieba”.
