Мюонний коллайдер відкриє перед вченими нові можливості для вивчення фундаментальної фізики

Feb 14 7:00 2020 Друк цієї статті

При цьому, перспективи відкриття за допомогою нового колайдера чого-небудь, порівнянного за значимістю з виявленням бозона Хіггса в 2012 році, вельми і вельми туманні. Але, цілком можливо, що для занурення в глибини фізики крихітних частинок вченим і не потрібно настільки грандіозне і дороге спорудження, для цього буде достатньо нової технології, в якій задіяні частинки, ніколи раніше не використовувалися в прискорювачах будь-якого типу.

Всі сучасні прискорювачі і колайдери можуть оперувати досить обмеженим набором елементарних частинок, в основному протонами, електронами і позитронами (антиэлектронами). Ці заряджені частки, розігнані до високих швидкостей і енергій, стикаються один з одним або з матеріалом мішені в області, оточеної високочутливими детекторами, які дозволяють встановити послідовність і параметри процедури розпаду цих частинок на вторинні частки. Але, кожен з використовуваних сьогодні видів частинок володіє своїми позитивними і негативними сторонами.

Протони, наприклад, складаються з менших частинок, названих кварками, і тому при розпаді протонів виходить такий насичений "суп" вторинних частинок, в якому дуже важко відстежити факти виникнення цікавлять учених явищ. Електрони і позитрони є більш простими, окремими частинками, але вони виробляють вторинне випромінювання при зміні напрямку їх руху. З-за цього ефективні прискорювачі цих частинок повинні бути прямими і мати більшу довжину.

У світі елементарних частинок є такі частинки, як мюоны, вони, подібно електронам, є примітивними частками, тільки в 200 разів більшими, і вони практично не випромінюють (втрачають енергію) під час зміни напрямку руху. Однак, у мюонів є і свої проблеми, які ускладнюють роботу з цими частками. Мюоны живуть дуже короткий час, вони розпадаються на інші частинки через 2 мікросекунди після їх виникнення. Крім цього, для отримання мюонів використовують промінь протонів, спрямований в мішень з певного матеріалу, і при зіткненні протонів виходять не тільки мюоны, але і частинки, звані півоніями, які відразу ж розпадаються на мюоны, формуючи навколо формується променя потік випадкових мюонним "бризок".

Нещодавно, вчені-фізики, що працюють в рамках експерименту MICE (Мюона Ionization Cooling Experiment), оголосили про успіх, який став результатом 20-річних експериментальних і теоретичних досліджень. Їм вдалося отримати стабільний мюонний промінь за допомогою методу, званого іонізаційним охолодженням.

Цей метод дозволяє захопити мюоны, рухомі у випадкових напрямках, і направити їх через спеціальний охолоджуючий апарат, який складається з 12 надпровідних електромагнітів, що виробляють поля, що огортає 22-літрову ємність, заповнену рідким воднем. У стінках цієї ємності є алюмінієві вікна, через які проходять мюоны, які віддають свою енергію атомам водню шляхом іонізації останніх. І в результаті складних процесів, що відбуваються всередині ємності, на іншій її стороні з'являється спрямований і досить добре сфокусований промінь, що складається з мюонів. Після цього мюоны променя можуть бути прискорені за допомогою магнітів і радіочастотних резонансних порожнин до енергій, необхідних для фізичних експериментів.

Метод іонізаційного охолодження був розроблений фізиками-теоретиками в кінці 1970-х, початку 1980-х років. Але тільки в даний час з'явилися технології, які дозволили його практичну реалізацію. "Це була надзвичайно складна проблема, з урахуванням видів і форми магнітних полів, які повинні генеруватися для роботи іонізаційного охолоджувача" - розповідає Кріс Роджерс (Кріс Роджерс), вчений-фізик, - "Тільки на початку 2000-х років була розроблена конструкція іонізаційного охолоджувача і це було продиктовано інтересом науки до нейтрино, до субатомным часткам, практично не взаємодіє зі звичайною матерією. Мюоны розпадаються нейтрино і промінь мюонів можна розглядати як джерело цих частинок".

Зазначимо, що експериментальна установка експерименту MICE почала роботу в 2012 році, а процес збору даних було завершено у 2017 році. І на наступний аналіз величезного масиву зібраних даних пішли два останніх роки. Результати аналізу дозволили визначити параметри променя мюонів до і після іонізаційного охолоджувача, і ці параметри вказують на те, що очікуваний ефект дійсно є, повністю пригнічуючи випадкове рух окремих мюонів.

Відсутність працездатного іонізаційного охолоджувача було проблемою, яка заважала вченим створити мюоннный прискорювач. Тепер же, отримавши в своє розпорядження це пристрій, вчені можуть почати проектувати мюонний коллайдер, який дозволить їм в майбутньому заглянути в такі галузі фізики елементарних частинок, які знаходяться за гранями можливостей традиційних коллайдерів і лінійних прискорювачів.