Тот факт, что мы здесь, - одна из величайших загадок физики. Мы сделаны из нормальных частиц, таких как электроны, но каждая такая частица также имеет спутник антивещества, который практически идентичен самому себе, но с противоположным зарядом. Когда материя и антивещество вступают в контакт, они уничтожают друг друга во вспышке света.
Физика предполагает, что вещество и антивещество были созданы в Большом Взрыве в почти равных количествах. Так почему же вещество и антивещество не уничтожили друг друга, сделав Вселенную безжизненной? Новое исследование позволило ученым создать ускоритель нового типа, основанный на частицах, называемых «мюонами», который мог бы помочь нам это выяснить.
Мюон почти идентичен электрону, за исключением того, что он в 207 раз тяжелее его. Более того, он разлагается на другие частицы за две миллионные доли секунды. Это время жизни, хотя и короткое для нас, но довольно длительное для нестабильной фундаментальной частицы, объясняет, почему мюоны составляют почти все заряженные космические лучи, которые достигают поверхности Земли.
Основным методом исследование структуры и свойств вещества для ученых является создания пучков частиц и их столкновение на высоких скоростях. Однако существуют только четыре стабильные частицы, которые могут быть использованы таким образом: электрон и его античастица (позитрон), и протон и его античастица (антипротон).
Пучки частиц, состоящие из них, использовались в течение многих лет, однако обе эти пары имеют недостатки. Электрон и позитрон очень легкие. Это может быть полезно для таких отраслей, как телевидение, но затрудняет достижение тех энергий, которые нам необходимы для нашего понимания Вселенной.
В отличие от электронов, протон и антипротон состоят из более фундаментальных частиц - кварков и глюонов. В столкновении между протоном и антипротоном, на самом деле, сталкиваются именно эти фундаментальные частицы, что приводит к более низкому энергетическому выделению, чем вы могли бы получить, если бы протоны были действительно фундаментальными частицами.
Мюоны достаточно тяжелые, чтобы излучать гораздо меньше энергии, но фундаментальные (не состоящие из более мелких частиц), так что вся их энергия доступна для исследования. Когда ученые изучали бозоны Хиггса, им потребовалась машина диаметром 10 км: Большой адронный коллайдер (БАК). Однако мюонная машина могла бы достичь этого с окружностью всего 200 метров.
Недостаток мюонов заключается в том, что, в отличие от электронов и протонов, они нестабильны и должны быть получены, а затем быстро использованы до того, как все распадутся. Мы можем произвести мюоны, взяв узкий высокоинтенсивный пучок протонов и направив его в мишень из металла, такого как титан. Это производит луч другой фундаментальной частицы, названной пионом.
Пионы образуют луч, который разветвляется. Если исходный пучок протонов выглядит как лазерная указка, то пучок пионов больше похож на луч факела - интенсивность быстро падает с расстоянием. Затем пионы распадаются с образованием мюонов, а это означает, что луч распространяется еще больше - напоминает лампочку.
Мы не можем ускорить такой луч в БАК, поэтому нам нужно создать луч, который распространяется гораздо меньше. Это сложно, учитывая, что у нас есть только две миллионные доли секунды, чтобы произвести, ускорить и столкнуть его.
Но команда физиков и инженеров со всего мира, известная как эксперимент по ионному охлаждению мюонами (MICE), теперь показала, что это возможно. Они использовали процесс, известный как охлаждение, чтобы помочь сжать луч. Оно включает пропускание мюонов через емкость с жидким водородом при -250 ° C, замедляя частицы. Затем они пропустили их через электромагнитную полость, что привело к ускорению пучка в требуемом направлении.
Повторяя это несколько раз, можно создать луч, который распространяется гораздо меньше и имеет плотное ядро. Этот луч может быть введен в ускоритель частиц, чтобы произвести пучок мюонов высокой энергии. Такой луч можно либо столкнуть, либо оставить его циркулирующим, пока мюоны не распадутся на интенсивный пучок нейтрино - намного превышающий любой пучок нейтрино, который может быть получен в настоящее время.
Зондирование Вселенной
Фактически, нейтринный пучок, созданный из мюонов, является частью запланированной Фабрики нейтрино, которая позволила бы нам ответить на многие вопросы, связанные с происхождением и развитием Вселенной, такие как таинственный дисбаланс между веществом и антивеществом.
Нейтрино также могут помочь нам понять детали того, как жизненно важные элементы, такие как кислород, углерод и кремний, которые образуются в звездах, распространяются по всей Вселенной. Эти более тяжелые элементы не были произведены в Большом Взрыве и все же ответственны за планету, на которой мы живем, и всю жизнь вокруг нас.
Ученые могли бы также столкнуть два пучка мюонов точно так же, как сталкивали протоны на БАК. Мюоны, будучи более простыми, чем протоны, позволили бы, например, более точно определять свойства частиц Хиггса.
Свойства мюона также делают их бесценным инструментом в области физики материалов. Возможность создавать более сфокусированные лучи может улучшить текущие измерения и открыть новые методы диагностики.