Предоставлено: Imperial College London

Ученые продемонстрировали ключевую технологию в создании следующего поколения высокоэнергетических ускорителей частиц.

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

До сих пор ускоренными частицами были протоны, электроны и ионы в концентрированных пучках. Однако международная команда под названием The Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) collaboration, в которую входят исследователи из Имперского колледжа Лондона, создала мюонный пучок.

Мюоны — это частицы, подобные электронам, но с гораздо большей массой. Это означает, что они могут быть использованы для создания пучков с энергией в десять раз большей, чем у Большого Адронного Коллайдера.

Мюоны также могут быть использованы для изучения атомной структуры материалов, в качестве катализатора ядерного синтеза и для того, чтобы видеть сквозь действительно плотные материалы, где не могут проникнуть рентгеновские лучи.

Успех решающего шага

MICE объявили об успешном результате в создании мюонного пучка — загоняя мюоны 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.

Профессор Кен Лонг с Физического факультета Имперского университета выступает в роли представителя эксперимента. Он сказал: «Энтузиазм, самоотверженность и напряженная международная работа, а также выдающаяся поддержка сотрудников лаборатории в STFC и из институтов по всему миру сделали этот прорыв, меняющий игру, возможным.»

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 рассеянным, используется процесс, называемый охлаждением луча. Оно предполагает сближение мюонов и их движение в одном направлении. Однако до сих пор магнитные линзы могли только приблизить мюоны друг к другу или заставить их двигаться в одном направлении, но не одновременно.

Охлаждение мюонов

В ходе работы Mice collaboration был протестирован совершенно новый метод решения этой уникальной задачи — охлаждение мюонов путем пропускания их через специально разработанные энергопоглощающие материалы. Это было сделано, когда луч был очень плотно сфокусирован мощными сверхпроводящими магнитными линзами.

После охлаждения луча в более плотном облаке мюоны могут быть ускорены обычным ускорителем частиц в точном направлении, что делает гораздо более вероятным столкновение мюонов. Кроме того, холодные мюоны можно замедлить, чтобы можно было изучить продукты их распада.

Доктор Крис Роджерс, работающий в центре ISIS компании STFC, пояснил: «MICE продемонстрировал совершенно новый способ сжатия пучка частиц в меньший объем. Эта техника необходима для создания успешного мюонного коллайдера, который мог бы превзойти даже Большой адронный коллайдер."

Статья «Demonstration of cooling by the Muon Ionization Cooling Experiment» опубликована в журнале Nature.

Больше статей читайте на моём Телеграм-канале Quant (@proquantum)
Канал, посвящённый физике, квантовой механике и астрофизике.
Подписывайтесь и расширяйте свои знания!