Мюонный коллайдер откроет перед учеными новые возможности по изучению фундаментальной физики - «Наука и технологии»

На страницах нашего сайта мы рассказывали, что коллайдер следующего поколения может представлять собой 100-километровое кольцо ускорителя, сооружение которого обойдется в сумму не менее 10 миллиардов американских долларов. При этом, перспективы открытия при помощи нового коллайдера чего-нибудь, сопоставимого по значимости с обнаружением бозона Хиггса в 2012 году, весьма и весьма туманны. Но, вполне возможно, что для погружения в глубины физики крошечных частиц ученым и не потребуется столь грандиозное и дорогостоящее сооружение, для этого будет достаточно новой технологии, в которой задействованы частицы, никогда ранее не использовавшиеся в ускорителях любого типа.

Все современные ускорители и коллайдеры могут оперировать достаточно ограниченным набором элементарных частиц, в основном протонами, электронами и позитронами (антиэлектронами). Эти заряженные частицы, разогнанные до высоких скоростей и энергий, сталкиваются друг с другом или с материалом мишени в области, окруженной высокочувствительными детекторами, которые позволяют установить последовательность и параметры процедуры распада этих частиц на вторичные частицы. Но, каждый из используемых сегодня видов частиц обладает своими положительными и отрицательными сторонами.
Протоны, к примеру, состоят из меньших частиц, называемых кварками, и поэтому при распаде протонов получается такой насыщенный "суп" вторичных частиц, в котором очень трудно отследить факты возникновения интересующих ученых явлений. Электроны и позитроны являются более простыми, "точечными" частицами, но они производят вторичное излучение при изменении направления их движения. Из-за этого эффективные ускорители этих частиц должны быть прямыми и иметь большую длину.

В мире элементарных частиц есть такие частицы, как мюоны, они, подобно электронам, являются примитивными частицами, только в 200 раз более крупными, и они практически не излучают (теряют энергию) во время изменения направления движения. Однако, у мюонов имеются и свои проблемы, которые затрудняют работу с этими частицами. Мюоны живут очень короткое время, они распадаются на другие частицы спустя 2 микросекунды после их возникновения. Кроме этого, для получения мюонов используют луч протонов, направленный в мишень из определенного материала, и при столкновении протонов получаются не только мюоны, но и частицы, называемые пионами, которые тут же распадаются на мюоны, формируя вокруг формирующегося луча поток случайных мюонных "брызг".

Недавно, ученые-физики, работающие в рамках эксперимента MICE (Muon Ionization Cooling Experiment), объявили об успехе, который стал результатом 20-летних экспериментальных и теоретических исследований. Им удалось получить стабильный мюонный луч при помощи метода, называемого ионизационным охлаждением.

Этот метод позволяет захватить мюоны, движущиеся в случайных направлениях, и направить их через специальный охлаждающий аппарат, который состоит из 12 сверхпроводящих электромагнитов, вырабатывающих поля, окутывающие 22-литровую емкость, заполненную жидким водородом. В стенках этой емкости имеются алюминиевые окна, через которые проходят мюоны, которые отдают свою энергию атомам водорода путем ионизации последних. И в результате сложных процессов, происходящих внутри емкости, на другой ее стороне появляется направленный и достаточно хорошо сфокусированный луч, состоящий из мюонов. После этого мюоны луча могут быть ускорены при помощи магнитов и радиочастотных резонансных полостей до энергий, требуемых для физических экспериментов.

Метод ионизационного охлаждения был разработан физиками-теоретиками в конце 1970-х, начале 1980-х годов. Но только в настоящее время появились технологии, которые позволили его практическую реализацию. "Это была чрезвычайно сложная проблема с учетом видов и формы магнитных полей, которые должны генерироваться для работы ионизационного охладителя" - рассказывает Крис Роджерс (Chris Rogers), ученый-физик, - "Только в начале 2000-х годов была разработана конструкция ионизационного охладителя и это было продиктовано интересом науки к нейтрино, к субатомным частицам, практически не взаимодействующим с обычной материей. Мюоны распадаются в нейтрино и луч мюонов можно рассматривать как источник этих частиц".

Отметим, что экспериментальная установка эксперимента MICE начала работу в 2012 году, а процесс сбора данных был завершен в 2017 году. И на последующий анализ огромного массива собранных данных ушли два последних года. Результаты анализа позволили определить параметры луча мюонов до и после ионизационного охладителя, и эти параметры указывают на то, что ожидаемый эффект действительно присутствует, полностью подавляя случайное движение отдельных мюонов.

Отсутствие работоспособного ионизационного охладителя было проблемой, которая мешала ученым создать мюоннный ускоритель. Теперь же, получив в свое распоряжение это устройство, ученые могут начать проектировать мюонный коллайдер, который позволит им в будущем заглянуть в такие области физики элементарных частиц, которые находятся за гранями возможностей традиционных коллайдеров и линейных ускорителей.