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 z prac jest dostępny na portalu preprintów arXiv.org.
Akceleratory mionowe mogą stać się ważnymi narzędziami zarówno dla nauk podstawowych (na przykład do precyzyjnego pomiaru anomalnego momentu magnetycznego mionu), jak i zastosowań praktycznych. W szczególności możliwe będzie stworzenie mikroskopu mionowego o znacznie większej mocy penetracji niż mikroskop elektronowy do badania materiałów o dużej grubości.
Zbudowanie wydajnego akceleratora mionów to trudne zadanie. Intensywny strumień mionów może być wytwarzany poprzez rozpad mezonów pi, które powstają w wyniku napromieniowania stacjonarnych tarcz wiązkami protonów. Miony wytworzone w ten sposób zajmują dużą objętość przestrzeni fazowej, dlatego muszą być chłodzone, aby utworzyć wiązki mionów, które następnie należy przyspieszyć. Problem tkwi w krótkim czasie życia mionów (rzędu dwóch mikrosekund), co sprawia, że tradycyjne metody chłodzenia cząstek są nieodpowiednie. Naukowcy rozwiązali już ten problem, chłodząc cząstki kriogenicznym helem, jednak nie odnotowano jeszcze 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 wytworzonych w wyniku rozpadu mezonów pi na tarczę 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-). Atomy mionu następnie rozpadły się pod wpływem fotonów laserowych, a schłodzone miony zostały skierowane przez pole elektryczne do akceleratora. Fizycy użyli kwadrupola o 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 naukowcy przyspieszyli wiązki dodatnich mionów do 100 kiloelektronowoltów, co odpowiada około czterem procentom prędkości światła w próżni. Oszacowali wydajność chłodzenia i ekstrakcji mionów na 19 procent, a straty mionów w wiązkach na trzy procent z powodu rozpadu mionów. Znormalizowana poprzecznie emitancja przyspieszonych mionów w płaszczyźnie poziomej i pionowej wyniosła odpowiednio 0,85𝝅 i 0,25𝝅 milimetrów⋅miliradianów, co według naukowców odpowiada redukcji przestrzeni fazowej o dwa rzędy wielkości i dowodzi wysokiej wydajności akceleratora.
Według fizyków uzyskane wyniki wskazują na możliwość stworzenia akceleratora mionów, który mógłby służyć zarówno do bezpośredniego badania mionów, jak i do rozwiązywania innych problemów fizycznych.
O tym, jak obecnie bada się miony, możesz przeczytać w naszym artykule „Spadające z nieba”.
