Вироблення субатомних частинок, званих мюонами, тепер стало простіше, ніж будь-коли раніше.
Декілька груп дослідників отримали мюони, використовуючи невеликі прискорювачі частинок, керовані лазерами. Зазвичай для прискорення частинок та створення мюонних пучків потрібні великі установки. Подібно до рентгенівських променів на стероїдах, мюони можуть проходити крізь тверді матеріали та виявляти їх вміст. Таким чином, це досягнення відкриває майбутні можливості для портативних сканерів, які могли б використовувати мюони для виявлення контрабанди таких матеріалів як плутоній і уран всередині транспортних контейнерів.
«Якщо вам дійсно потрібно проникнути крізь метри бетону, каменю або навіть металу, мюони — найкращі частинки для цього», — каже Раджив Паттатил із Лабораторії Резерфорда та Епплтона в Дідкоті, Англія, який не брав участі у дослідженні.
Вчені використовували мюони, що утворюються в результаті реакцій в атмосфері Землі, щоб заглянути всередину вулканів, пірамід та інших великих стаціонарних споруд. Виявляючи мюони до і після проходження через об'єкт, вчені можуть визначити, наскільки частинки були поглинені або розсіяні, що дає уявлення про те, які матеріали знаходяться усередині.
Однак ці природні мюони рідкісні. На кожен квадратний сантиметр поверхні Землі попадає лише один мюон за хвилину, що робить отримання зображень повільним процесом. У завантаженому порту «неможливо тримати контейнер годинами, поки не вийде отримати зображення», - говорить Паттатил. Штучні пучки мюонів могли б зробити цей процес досить швидким для практичного застосування.
Нова технологія заснована на зменшених прискорювачах, які використовують лазер для вибуху плазми – скупчення заряджених частинок. Цей вибух створює хвилю електричного заряду у плазмі, яка розганяє електрони до високих енергій. Коли ці електрони стикаються з щільним матеріалом, наприклад свинцем, вони створюють пучок мюонів.
Саме це зробили дослідники з Національної лабораторії Лоуренса Берклі у Каліфорнії. Електрони були прискорені на відстань лише 30 сантиметрів, повідомили фізик Давиде Терцані та його колеги у журналі Physical Review Accelerators and Beams. Це трохи менше за довжину кеглі для боулінгу. Енергія електронів досягала 10 мільярдів електронвольт, що призводило до утворення мюонів з енергією кілька мільярдів електронвольт. Для отримання електронів з такою самою енергією традиційному прискорювачу знадобилася б довжина в тисячу разів більша.
«Ви можете перетворити машину кілометрового масштабу на щось, що поміститься в лабораторії», - говорить співавтор дослідження Джарон Шрок, фізик з Мерилендського університету в Коледж-Парку. Терцані та інші дослідники з лабораторії Берклі не змогли прокоментувати це через припинення роботи уряду США. Дослідники ідентифікували мюони за часом їхнього розпаду – середня тривалість життя становила 2,2 мікросекунди.
Мюони схожі на електрони, але важчі. Це означає, що «вони можуть справді глибоко проникати в мішені, не надто розсіюючись», — каже фізик Джанлука Саррі з Королівського університету Белфасту в Ірландії.
Саррі та його колеги отримали мюони на установці Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics (ELI-NP) у Магуреле, Румунія. Докази існування мюонів, отримані групою, були засновані на вимірі того, як частинки передають енергію в детектор, про що вони повідомили у статті, опублікованій на arXiv.org у березні і яка поки що не пройшла рецензування. За словами Саррі, енергія мюонів сягала приблизно одного мільярда електронвольт.
Під час експерименту на Шанхайській надінтенсивній надшвидкій лазерній установці було отримано мюони з аналогічними енергіями, про що дослідники повідомили 6 травня в журналі Nature Physics. У цьому дослідженні основна увага приділялася вивченню механізмів утворення мюонів за таких енергій, а не створенню вузького пучка, спеціально призначеного для отримання зображень, говорить Веньтао Ван, фізик із Шанхайського інституту оптики та точної механіки.
Ця робота є результатом нещодавнього бурхливого розвитку лазерних прискорювачів, каже Паттатил. "Щоб отримати помітну кількість мюонів, необхідно розігнати електрони до швидкості, дуже близької до швидкості світла", - говорить Паттатил. «Тільки за останні кілька років стало можливим створювати високоякісні електронні пучки з надзвичайно високою енергією». Хоча лазерні прискорювачі поки що недостатньо компактні для перенесення, майбутні досягнення в галузі лазерної техніки можуть зробити реальні портативні джерела мюонів.
Дослідники вже починають перевіряти ці можливості. В Університеті штату Колорадо дослідники помістили мюонний детектор і свинцевий об'єкт у вантажівку, розташовану поруч з установкою, де також знаходився мюонний пучок, генерований лазерним прискорювачем. У березні дослідники повідомили на онлайн-семінарі "Лазерні джерела мюонів з енергією порядку ГеВ" в ELI, що об'єкт відкидав тінь у мюонах, яка була видна на детекторі. "Це свого роду демонстрація принципу роботи програми", - говорить Шрок, один з учасників проєкту, - "принаймні, початок застосування - для цих лазерних мюонних пучків".
