Японські фізики прискорили позитивні мюони до 100 кілоелектронвольтів. Для цього вони створювали ультраповільні мюони мультифотонною іонізацією атомів мюонію та розганяли їх у високочастотному квадрополі. Звіт про роботу доступний на порталі препринтів arXiv.org.
Прискорювачі мюонів можуть стати важливими інструментами як фундаментальної науки (наприклад, для прецизійного вимірювання аномального магнітного моменту мюона), так прикладних завдань. Зокрема, можна буде створити мюонний мікроскоп, що володіє набагато більш високою здатністю, що проникає ніж електронний, для дослідження матеріалів великої товщини.
Створення ефективного мюонного прискорювача – непросте завдання. Інтенсивний потік мюонів можна отримати за рахунок розпадів пі-мезонів, які у свою чергу утворюються при опроміненні стаціонарних мішеней пучками протонів. Народжені у такий спосіб мюони займають великий обсяг фазового простору, тому їх потрібно охолодити, щоб сформувати згустки мюонів, та був прискорити ці згустки. Проблема полягає в короткому часі життя мюонів (близько двох мікросекунд), тому традиційні методи охолодження часток не підходять. Вчені вже змогли вирішити цю проблему охолодженням за допомогою газоподібного гелію кріогенної температури, проте досі не повідомлялося про успішне прискорення мюонів після охолодження.
Фізики з експерименту MUSE на японському прискорювачі протонів J-PARC вирішили обидві завдання: вони змогли охолодити мюони після їх генерації і розігнати до 100 кілоелектронвольт. Для цього вчені направляли потік мюонів, народжених при розпаді пі-мезонів, на мішень з кремнієвого аерогелю (SiO2) завтовшки 8 мм, обидві сторони якої опромінювали імпульсним лазером. Частина мюонів уповільнювалася у мішені, формуючи атоми мюонію (𝜇+e-). Потім атоми мюонію розпадалися під дією фотонів від лазера і охолоджені у такий спосіб мюони прямували еклектичним полем у прискорювач. Як прискорювач фізики використовували високочастотний квадруполь довжиною близько двох метрів, пікової потужністю 2,6 кіловата і частотою близько 324 мегагерц. Вчені аналізували характеристики пучка за допомогою горизонтального згинального магніту, мікроканального анода та монітора профілю пучка, встановлених після квадруполя в діагностичній лінії.
В результаті вченим вдалося розігнати пучки позитивних мюонів до 100 кілоелектронвольт, що відповідає приблизно 4% від швидкості світла у вакуумі. прискорених мюонів у горизонтальній та вертикальної площини становив 0,85 і 0,25 міліметрів мілірадіан відповідно, що, за словами вчених, відповідає зменшенню фазового простору на два порядки і демонструє хорошу ефективність прискорювача.
На думку фізиків, отримані результати демонструють можливість створення мюонного прискорювача на дослідження безпосередньо мюонів, і навіть інших завдань фізики.
Про те, як уже досліджують мюони, читайте у нашому матеріалі «Впали з неба».