Zespół naukowców z Chin opracował nową metodę generowania mionów, cząstek podobnych pod wieloma względami do elektronów, ale jednocześnie znacznie cięższych i niezwykle krótkotrwałych. Nowa metoda wykorzystuje do tego ultrakrótkie, wysokoenergetyczne impulsy laserowe. Dzięki temu innowacyjnemu podejściu w końcu możliwe jest wydajne tworzenie mionów w warunkach laboratoryjnych, co otwiera nowe możliwości do prowadzenia szeroko zakrojonych badań z zakresu fizyki cząstek i jej zastosowania w praktyce.
Dotychczas miony produkowano jedynie w dużych, kosztownych akceleratorach protonów, które same z siebie wymagają bardzo rozbudowanej infrastruktury. Oczywiście naturalne źródło mionów stanowią także promienie kosmiczne — wysokoenergetyczne cząstki docierające z kosmosu, które zderzają się z atomami atmosfery ziemskiej, jednak jest ich zdecydowanie mało i pojawiają się one nieregularnie, co ogranicza praktyczne wykorzystanie.
Czytaj także: Zapanowali nad mionami w wyjątkowy sposób. To jedne z najbardziej zagadkowych cząstek
Zespół badaczy z Chińskiej Akademii Fizyki Inżynieryjnej (CAEP), Laboratorium Guangdong Chińskiej Akademii Nauk (CAS) oraz innych instytucji zaprezentował teraz nową technikę, która eliminuje te ograniczenia.
W artykule opublikowanym w periodyku Nature Physics możemy przeczytać o tym, jak dzięki zaawansowanym technologiom laserowym — w szczególności Chirped Pulse Amplification (CPA) i Laser Wakefield Acceleration (LWFA) — elektrony są przyspieszane do energii rzędu gigaelektronowoltów (GeV) na bardzo krótkie, liczone w centymetrach odległości, a następnie uderzają w odpowiedni cel, prowadząc do powstania kaskady wtórnego promieniowania, w tym promieni gamma, neutronów oraz generowanych mionów.
Nie oznacza to jednak faktu, że naukowcy pokonali właśnie wszystkie problemy. Owszem, produkcja mionów zachodzi w tych warunkach, jednak ich stosunkowo niski przekrój czynny sprawia, że wykrywanie ich jest trudne.
Standardowe techniki, jak spektrometria magnetyczna, często zawodzą z powodu silnego promieniowania tła i nasycenia detektorów innymi rodzajami promieniowania powstającymi w momencie elektronów z celem. Aby temu zaradzić, zespół wprowadził innowacyjne rozwiązanie — detekcję opartą na pomiarze charakterystycznego czasu życia mionów w stanie spoczynku, wynoszącego około 2,2 mikrosekundy. Ten unikalny „podpis czasowy” pozwala wyraźnie odróżnić miony od innych form promieniowania, eliminując inne zakłócenia.
Czytaj także: Naukowcy dokonali niezwykle precyzyjnego pomiaru. Wyniki mogą otworzyć drzwi do nowej fizyki
Eksperymenty potwierdziły obecność mionów poprzez wykrycie widma czasu życia zgodnego z ich rozpadem. W ten sposób naukowcom korzystającym z impulsów laserowych udało się osiągnąć wydajność na poziomie 0,01 mionów na każdy elektron przychodzący, co daje w sumie około 10 milionów mionów na pojedynczy impuls laserowy w obecnym układzie. Wszystko jednak wskazuje, że udoskonalenie całego systemu może pozwolić na produkcję na poziomie tysięcy mionów na sekundę.
Czy takie osiągnięcie faktycznie coś znaczy? Badacze wskazują, iż kompaktowe, laserowe źródło mionów rewolucjonizuje badania z zakresu fizyki cząstek. Dzięki niemu nawet małe laboratoria mogą uzyskać dostęp do mionów i prowadzić na nich badania, bez konieczności inwestowania ogromnych pieniędzy w akceleratory. Oznacza to, że wkrótce znacznie więcej naukowców będzie mogło skupić się na radiografii mionowej, badaniach rotacji spinu mionów i wielu innych zagadnieniach, które dotychczas badano tylko w najbardziej wyspecjalizowanych ośrodkach badawczych. Naukowcy z Chin właśnie otworzyli wrota do świata niezwykle tajemniczych i ulotnych cząstek podstawowych.