Физики ускорили положительные мюоны

Японские физики ускорили положительные мюоны до 100 килоэлектронвольт. Для этого они создавали ультрамедленные мюоны мультифотонной ионизацией атомов мюония и разгоняли их в высокочастотном квадруполе. Отчет о работе доступен на портале препринтов arXiv.org.

Ускорители мюонов могут стать важными инструментами как для фундаментальной науки (например, для прецизионного измерения аномального магнитного момента мюона), так и для прикладных задач. В частности, можно будет создать мюонный микроскоп, обладающий гораздо более высокой проникающей способностью чем электронный, для исследования материалов большой толщины.

Создание эффективного мюонного ускорителя — непростая задача. Интенсивный поток мюонов можно получить за счет распадов пи-мезонов, которые, в свою очередь, образуются при облучении стационарных мишеней пучками протонов. Рожденные таким способом мюоны занимают большой объем фазового пространства, поэтому их требуется охладить, чтобы сформировать сгустки мюонов, а потом ускорить эти сгустки. Проблема заключается в коротком времени жизни мюонов (порядка двух микросекунд), поэтому традиционные методы охлаждения частиц не подходят. Ученые уже смогли решить эту проблему охлаждением при помощи газообразного гелия криогенной температуры, однако до сих пор не сообщалось об успешном ускорении мюонов после охлаждения.

Физики из эксперимента MUSE на японском ускорителе протонов J-PARC решили обе задачи: они смогли охладить мюоны после их генерации и потом разогнать до 100 килоэлектронвольт. Для этого ученые направляли поток мюонов, рожденных при распаде пи-мезонов, на мишень из кремниевого аэрогеля (SiO₂) толщиной 8 миллиметров, обе стороны которой облучали импульсным лазером. Часть мюонов при этом замедлялась в мишени, формируя атомы мюония (𝜇⁺e^-). Затем атомы мюония распадались под действием фотонов от лазера и охлажденные таким способом мюоны направлялись эклектическим полем в ускоритель. В качестве ускорителя физики использовали высокочастотный квадруполь длиной около двух метров, пиковой мощностью 2,6 киловатта и частотой около 324 мегагерц. Ученые анализировали характеристики пучка при помощи горизонтального изгибающего магнита, микроканального анода и монитора профиля пучка, установленных после квадруполя в диагностической линии.

В результате ученым удалось разогнать пучки положительных мюонов до 100 килоэлектронвольт, что соответствует приблизительно четырем процентам от скорости света в вакууме. Ученые оценили эффективность охлаждения и экстракции мюонов в 19 процентов, а потери мюонов в пучках в три процента за счет распадов мюонов. Поперечный нормированный эмиттанс ускоренных мюонов в горизонтальной и вертикальной плоскости составил 0,85𝝅 и 0,25𝝅 миллиметров⋅миллирадиан соответственно, что, по словам ученых, соответствует уменьшению фазового пространства на два порядка и демонстрирует хорошую эффективность ускорителя.

По мнению физиков, полученные результаты демонстрируют возможность создания мюонного ускорителя для исследования непосредственно мюонов, а также для других задач физики.

О том, как уже исследуют мюоны, читайте в нашем материале «Упавшие с неба».