شتاب‌دهنده‌های میون اکنون می‌توانند با این پیشرفت جدید به واقعیت بپیوندند
شتاب‌دهنده‌های ذرات مانند برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) که به کشف مبدأ ماده و کمک به درک ساختار کیهانی کمک می‌کنند، با چالش‌هایی مانند هزینه‌های بالای ساخت و نیاز به فضای گسترده مواجه هستند.
در داخل یک شتاب‌دهنده ذرات ، ذرات بارداری مانند پروتون‌ها یا الکترون‌ها با سرعت‌های بسیار بالا حرکت داده می‌شوند. سپس این ذرات با هدف یا با یکدیگر برخورد می‌کنند. از نتایج این برخوردها، دانشمندان می‌توانند درباره ساختارهای اساسی ماده و نیروی‌های موجود در آن اطلاعاتی کسب کنند.
جالب است بدانید که فیزیکدانان از مدتها پیش می‌دانستند که استفاده از میون‌ها (ذرات بنیادی مشابه الکترون اما با جرم بسیار بیشتر) می‌تواند شتاب‌دهنده‌های ذرات را کارآمدتر، ارزان‌تر و کوچکتر کند. اما چالش این بود که راه عملی برای استفاده از میون‌ها به عنوان یک پرتو در شتاب‌دهنده پیدا کنند. در نهایت، یک مطالعه جدید توسط محققان همکاری MICE راهی برای این کار کشف کرده است.
آنها روش‌هایی برای افزایش تراکم و موقعیت میون‌ها در یک پرتو پیدا کرده‌اند، که این کار باعث می‌شود آنها را راحت‌تر کنترل و در شتاب‌دهنده ذرات برخورد دهند.
قابل توجه است که همکاری MICE (تجربه‌ی خنک‌کردن یونیزاسیون میون) یک پروژه علمی بین‌المللی است که هدف آن توسعه تکنیک خنک‌کردن یونیزاسیونی برای میون‌هاست.
خنک کردن پرتوهای میون باعث می‌شود که آنها را آسان‌تر بتوان کنترل کرد
اگرچه میون‌ها ذرات سنگینی هستند، اما بسیار ناپایدارند و در کمتر از 2.2 میکروثانیه به الکترون‌ها و نوترینوها تبدیل می‌شوند .
این باعث می‌شود که آنها را در مدت زمان کافی در شتاب‌دهنده نگه داریم تا یک پرتو متمرکز تشکیل دهند و برخورد کنند. همچنین، عمر کوتاه آنها نیاز دارد که سریع جمع‌آوری و شتاب‌دهی شوند پیش از آنکه تبدیل شوند.
در مطالعه قبلی خود، نویسندگان یاد گرفتند که میون‌ها را با استفاده از مواد کاهنده انرژی میون‌ها به شکل یک پرتو مرتب کنند. همچنین از یک لنز مغناطیسی برای تمرکز و نگه داشتن میون‌ها در منطقه مرکزی پرتو استفاده کردند.
این بار، آنها شکل پرتو را مطالعه کردند و دریافتند که خنک کردن یک پرتو میون فضای اشغالی آن را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، این کار باعث می‌شود که میون‌ها به طور منظم حرکت کنند. نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند که “حجم فضای فازی پرتو میون‌ها می‌تواند از طریق خنک‌کردن یونیزاسیونی کاهش یابد”.
همچنین آنها یک آزمایش را با استفاده از یک شتاب‌دهنده نمونه کوچک انجام دادند که نشانگر تشکیل و خنک‌کردن یک پرتو میون با درخشندگی بالا بود. “نتیجه مثبت و واضح نشان داده شده توسط تحلیل جدید ما به ما اطمینان می‌دهد که با شتاب‌دهنده‌های نمونه بزرگتر پیش برویم و این تکنیک را به کار ببریم”، کن لانگ، یکی از نویسندگان مطالعه و یک دانشمند MICE گفت.
مزایای شتاب‌دهنده میون
همکاری MICE شامل صدها دانشمند است که همه با هم در حال کارند تا شتاب‌دهنده‌های میون (شتاب‌دهنده‌های ذرات که از میون‌ها استفاده می‌کنند) را از یک مفهوم نظری به واقعیت تبدیل کنند.
این به این دلیل است که در مقایسه با شتاب‌دهنده‌های ذرات معمولی، شتاب‌دهنده‌های میون چندین مزیت دارند. برای مثال، “اگر ساخته شود، یک برخورددهنده میون در آینده می‌تواند 10 برابر بازه کشف برخورددهنده هادرونی بزرگ CERN را حتی پس از به‌روزرسانی‌های اساسی آن فراهم کند”، بر اساس اظهارات Fermilab در وزارت انرژی ایالات متحده.
در حال حاضر، محیط LHC حدود 17 مایل (27 کیلومتر) است و قرار است به حدود 56 مایل (90 کیلومتر) گسترش یابد. با یک برخورددهنده میون، دانشمندان می‌توانند برخوردهای انرژی بالا را در فضای کوچکتر و با هزینه‌های کمتر انجام دهند.
نویسندگان مطالعه افزودند، “یک برخورددهنده میون فشرده‌تر و بنابراین ارزان‌تر خواهد بود و به انرژی‌های مؤثری مشابه آنچه که برای برخورددهنده پروتون 90 کیلومتری پیشنهاد شده است، در فضای بسیار کوچکتر خواهد رسید”.
با این حال، در حال حاضر هیچ شتاب‌دهنده میون عملیاتی وجود ندارد. مطالعه فعلی یکی از چالش‌های کلیدی برای تحقق این فناوری را حل کرده است، اما محققان هنوز کارهای زیادی باید انجام دهند.
هدف بعدی تیم MICE توسعه یک سیستم خنک‌کردن کارآمد برای شتاب‌دهنده‌های میون آینده است.
این مطالعه در ژورنال Nature Physics منتشر شده است.
