Самый мощный ускоритель частиц стал на шаг ближе

Ускорители частиц используются для определения состава вещества в коллайдерах, таких как Большой адронный коллайдер, а также для измерения химической структуры лекарств, лечения рака и изготовления кремниевых микрочипов.

До сих пор ускоренные частицы были протонами, электронами и ионами в концентрированных пучках. Тем не менее, международное сотрудничество ученых под названием «Muon Ionization Cooling Experiment» (MICE) пытается создать пучок мюонов.

Мюоны — это частицы, подобные электронам, но с гораздо большей массой. Это означает, что их можно использовать для создания пучков с энергией в десять раз больше, чем способен выдать Большой адронный коллайдер.

Мюоны также могут быть использованы для изучения атомной структуры материалов, в качестве катализатора ядерного синтеза и для наблюдения через действительно плотные материалы, через которые рентгеновские лучи не могут проникнуть.

И вот теперь ученые MICE объявили о важном шаге в создании пучка мюонов — превращении мюонов в достаточно малый объем, чтобы столкновения были более вероятными. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Эксперимент проводился с использованием линии мюонного пучка MICE в научно-техническом центре ISIS Neutron and Muon Beam Council (STFC) на территории кампуса Harwell в Великобритании.

«Энтузиазм, самоотверженность и упорная работа международного сотрудничества и выдающаяся поддержка лабораторного персонала в STFC и из институтов по всему миру сделали возможным этот революционный прорыв» — сказал профессор Кен Лонг, представитель MICE Collaboration.

Мюоны образуются при попадании пучка протонов в мишень. Затем мюоны могут быть отделены от осколков, образующихся на мишени, и направлены через ряд магнитных линз. Собранные мюоны образуют рассеянное облако, поэтому, когда речь заходит о столкновении, вероятность того, что они столкнутся друг с другом и создадут интересные физические явления, очень мала.

Чтобы сделать облако менее диффузным, используется процесс, называемый охлаждением пучка. Это предполагает сближение мюонов и движение в одном направлении. Однако до сих пор магнитные линзы могли только сближать мюоны или заставлять их двигаться в одном направлении, но не в обоих одновременно.

MICE Collaboration протестировала совершенно новый метод для решения этой уникальной задачи, охладив мюоны, пропустив их через специально разработанные энергопоглощающие материалы. Это было сделано, когда луч был очень плотно сфокусирован мощными сверхпроводящими магнитными линзами.

После охлаждения пучка в более плотное облако мюоны могут быть ускорены обычным ускорителем частиц в точном направлении, что значительно увеличивает вероятность столкновения мюонов. Кроме того, холодные мюоны могут быть замедлены, так что их продукты распада могут быть изучены.

«MICE продемонстрировал совершенно новый способ сжатия пучка частиц в меньший объем. Этот метод необходим для создания успешного мюонного коллайдера, который может превзойти даже Большой адронный коллайдер» — говорят исследователи.

Demonstration of cooling by the Muon Ionization Cooling Experiment, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-1958-9