Japońscy fizycy przyspieszyli miony dodatnie 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 mionów mogą stać się ważnymi narzędziami zarówno dla nauk podstawowych (na przykład do precyzyjnego pomiaru anomalnego momentu magnetycznego mionu), jak i dla problemów stosowanych. W szczególności możliwe będzie stworzenie mikroskopu mionowego o znacznie większej sile penetracji niż mikroskop elektronowy do badania grubych materiałów.
Stworzenie wydajnego akceleratora mionów nie jest zadaniem łatwym. Intensywny przepływ mionów można uzyskać w wyniku rozpadu pi-mezonów, które z kolei powstają podczas napromieniania wiązek protonów na cele stacjonarne. Powstałe w ten sposób miony zajmują dużą objętość przestrzeni fazowej, dlatego należy je schłodzić, aby uformować skupiska mionów, a następnie te zlepki przyspieszyć. Problem polega na krótkim czasie życia mionów (około dwóch mikrosekund), dlatego tradycyjne metody chłodzenia cząstek nie są odpowiednie. Naukowcom udało się już rozwiązać ten problem poprzez chłodzenie za pomocą gazowego helu w temperaturze kriogenicznej, jednak jak dotąd nie odnotowano skutecznego przyspieszania mionów po ochłodzeniu.
Fizycy z eksperymentu MUSE przy japońskim akceleratorze protonów J-PARC rozwiązali oba problemy: byli w stanie schłodzić miony po ich wytworzeniu, a następnie przyspieszyć je do 100 kiloelektronowoltów. W tym celu naukowcy skierowali strumień mionów powstałych podczas rozpadu py-mezonów na tarczę wykonaną z aerożelu krzemowego (SiO2) o grubości 8 milimetrów, której obie strony naświetlono pulsacyjnym laserem. W tym samym czasie część mionów w tarczy zwolniła, tworząc atomy mionu (𝜇+e-). Następnie atomy mionu rozpadały się pod działaniem fotonów z lasera, a schłodzone w ten sposób miony kierowane były przez pole eklektyczne do akceleratora. Jako akcelerator fizyki wykorzystano kwadrupol wysokiej częstotliwości o długości około dwóch metrów, mocy szczytowej 2,6 kilowata i częstotliwości około 324 megaherców. Naukowcy przeanalizowali charakterystykę wiązki za pomocą poziomego magnesu zaginającego, anody mikrokanałowej oraz monitora profilu wiązki zainstalowanego za kwadrupolem w linii diagnostycznej.
W rezultacie naukowcom udało się przyspieszyć wiązki mionów dodatnich do 100 kiloelektronowoltów, co odpowiada około czterem procentom prędkości światła w próżni. Naukowcy oszacowali skuteczność chłodzenia i ekstrakcji mionów na 19 procent, a utratę mionów w wiązkach na trzy procent w wyniku rozpadów mionów. Poprzeczna znormalizowana emitancja przyspieszonych mionów w płaszczyźnie poziomej i pionowej wyniosła odpowiednio 0,85𝝅 i 0,25𝝅 milimetra⋅miliradiana, co zdaniem naukowców odpowiada zmniejszeniu przestrzeni fazowej o dwa rzędy wielkości i świadczy o dobrej efektywności akceleratora.
Zdaniem fizyków uzyskane wyniki wskazują na możliwość stworzenia akceleratora mionów do bezpośredniego badania mionów, a także do innych zagadnień fizyki.
O tym, jak badane są już miony, przeczytacie w naszym materiale „Fallen from the Sky”.