Как один из первых тестов специальной теории относительности может привести к созданию самого мощного ускорителя частиц всех времен.
«Чувствуется, что прошлое остается таким, каким ты его оставил, тогда как настоящее находится в постоянном движении; вокруг вас все нестабильно». - Том Стоппард
Все естественные явления, которые мы когда-либо наблюдали во Вселенной, состоят из одних и тех же нескольких частиц: протонов, нейтронов и электронов, а также фотонов. По крайней мере, так вы обычно думаете, но к этому примешивается огромное количество нейтрино и антинейтрино, сверхмассивное количество темной материи, а также «в любой момент» множество нестабильных высокоэнергетических частиц. Один из них, мюон, был темой самого интересного вопроса, который я видел, представленный на этой неделе в «Спросите Итана», любезно предоставленный кем-то, кто просто работает под ником MegaN00B:
Недавно в одном из своих блогов вы упомянули, что космический луч попадет в атмосферу, создаст частицы (я думаю, мюон) и как теория относительности позволит мюону путешествовать дальше, чем он сможет к, так как он распадется до того, как упадет на нашу поверхность, даже если он должен был распасться до того, как это расстояние было бы [пройдено].
Как мюон «увидит» это путешествие?
Давайте перейдем к самому началу и расскажем вам все о мюоне для начала.
Почти все, о чем мы знаем - все атомы, молекулы, планеты, звезды, туманности и галактики - состоят всего из нескольких известных фундаментальных частиц: фотонов, электронов, глюонов и выше -и-нижние кварки, из которых состоят протоны и нейтроны. Существуют нейтрино и антинейтрино, которые редко взаимодействуют друг с другом, а также темная материя, о присутствии которой известно только гравитационно. Все остальное, что можно создать, все другие существующие фундаментальные частицы, все они по своей природе нестабильны, а это означает, что со временем они распадутся во что-то более легкое и стабильное.
Из всех нестабильных частиц мюон наиболее близок к тому, чтобы быть действительно стабильным, живя в среднем «колоссальные» 2,2 микросекунды, что на несколько порядков дольше, чем любая другая частица. Это своего рода тяжелый кузен электрона, обладающий всеми теми же свойствами:
- лептонное число,
- электрический заряд,
- вращаться,
- магнитный момент,
за исключением того факта, что он примерно в 206 раз тяжелее и после того, как его квантовая судьба решена, он распадается на электрон (и два нейтрино).
Странная вещь - или вещь, которая может показаться странной - заключается в том, что если вы протянете руку параллельно поверхности Земли, то через нее каждую секунду проходит примерно один мюон. Эти мюоны, как намекает MegaN00B, возникают в верхних слоях атмосферы, куда постоянно падают частицы очень высокой энергии, известные как космические лучи. Эти космические лучи в основном состоят из протонов, но имеют чрезвычайно высокие энергии: энергии достаточно высокие, чтобы, когда они ударяются об атомы в верхних слоях атмосферы, они спонтанно производили потоки частиц, а это означает, что они создают пары материи-антиматерии, а также тяжелые, нестабильные частицы. (например, пионы), которые затем могут распадаться (например, на мюоны).
Это не должно вас удивлять: если вы слышали о E=mc^2, то вы понимаете, что вы можете спонтанно создавать новые частицы материи, просто «ударяя» две частицы друг о друга на достаточно высокой частоте. скорости. Но давайте посчитаем: даже если эти частицы движутся почти со скоростью света - 300 000 км/с - и живут 2,2 микросекунды, они должны быть в состоянии пройти только около 660 метров, прежде чем распасться.
Тем не менее, я сказал вам, что эти частицы создаются в верхних слоях атмосферы, что составляет около 100 километров, или 100 000 метров. вверх! С нашей точки зрения, этот мюон никогда не должен достичь Земли. И все же на помощь приходит Эйнштейн, благодаря тому факту, что когда объекты движутся со скоростью, близкой к скорости света, их часы идут медленно.
С нашей точки зрения, мюон, движущийся со скоростью 99,9995% скорости света, будет проходить для него время всего лишь в 1/1000 скорости, с которой он проходит для покоящегося мюона. Таким образом, вместо того, чтобы путешествовать в среднем на 660 метров, он может пройти 660 километров, прежде чем обычно распадается. Эта разница - для мюона со средним временем жизни 2.2 микросекунды - означает, что вместо того, чтобы иметь один шанс из 10^66 достичь вас (что было бы, если бы не было замедления времени), он имеет 86% шанс попасть в вашу руку.
Так как же мюон воспримет это? В конце концов, в своей системе отсчета мюон видит, как время течет нормально, он был создан в верхней части своей атмосферы и должен пройти весь путь до земли.
Но «вплоть до земли» не означает для мюона то же самое, что и для нас!
Потому что в то время как мюон видит, что время течет нормально для него самого, он видит, как мир вокруг движется к нему со скоростью 99,9995% скорости света. В дополнение к замедлению времени мюон испытывает эффекты сокращения длины, а это означает, что 100-километровое расстояние, которое он должен пройти, составляет всего 1/1000 длины: всего 100 метров. Опять же, в этом сценарии у него есть 86% шанс добраться до земли, прежде чем разложиться, даже с его точки зрения.
Но это знание открывает заманчивую возможность: если просто разгоняя их до соблазнительно близкой к скорости света, мы можем продлить жизнь мюонов, возможно, мы сможем использовать это для создания совершенного ускорителя/коллайдера частиц!
Обычно в наших ускорителях мы будем использовать стабильные частицы (или античастицы), такие как электрон, позитрон, протон или антипротон. Прикладывая электрическое поле, мы можем ускорить частицу, а приложив магнитное поле, мы можем согнуть ее в кольцеобразную форму. Кольцо превосходит линейный ускоритель, потому что вы можете использовать одну и ту же «дорожку» снова и снова для достижения все более и более высоких энергий, ускоряя эту частицу до скоростей, которые отличаются от скорости света намного меньше, чем на один километр. в секунду.
Есть одна загвоздка. Видите ли, мы бы хотели иметь возможность получать те же энергии, что и БАК (Большой адронный коллайдер) для электрон-позитронных коллайдеров. Когда БАК сталкивается с двумя протонами, эта энергия столкновения делится не только между каждым из трех кварков в каждом протоне, но и всеми глюонами глубоко внутри. Мало того, что вы теряете почти всю свою энергию, которую вы так усердно получали при каждом столкновении, вы также получаете огромную кучу «мусора», так как все не сталкивающиеся кварки и глюоны создают огромный беспорядок в вашем мозгу. детектор тоже.
Но вы физически не можете достичь тех же энергий для электрон-позитронных коллайдеров, что и для протонов. На самом деле, до БАК этот самый туннель 27 километров в окружности был LEP, или Большим электронно-позитронным коллайдером. Но в то время как LHC может достигать энергий 13 ТэВ, или 13 000 000 000 000 электрон-вольт, LEP смог достичь энергии только 114 ГэВ, или 114 000 000 000 электрон-вольт. Почему этот коэффициент ~ 100 разницы? Это произошло не из-за размера кольца (которое было идентичным) и даже не из-за силы магнитов (которые могли бы быть одинаковыми и не имели бы значения), а из-за того, что когда заряженные частицы изгибаются и ускоряются в магнитном поле, они излучают.
Известное как синхротронное излучение, оно заставляет ускоренные заряженные частицы терять энергию, обратно пропорциональную их массе в четвертой степени. Это означает, что электрон, весящий в 1836 раз меньше протона, теряет энергию со скоростью, равной 10^13 раз быстрее! Жаль, потому что если бы вы могли сталкивать электроны и позитроны с теми же энергиями, что и адроны, вы могли бы более точно исследовать более высокие энергии центра масс и получать более точные данные для своего детектора.
Но если мы сможем воспользоваться эффектом замедления времени мюонов, конечной машиной вполне может быть мюонный коллайдер, поскольку увеличение массы электрона в 206 раз означает, что он потеряет два миллиарда разэнергия меньше, чем у электрона при каждом обходе кольца.
Есть еще проблемы, которые необходимо решить для создания работающего мюонного коллайдера, но если мы сможем коллимировать мюоны (и антимюоны) и направить их в кольцо ускорителя с достаточно большой начальной скоростью, мы сможем чтобы разогнать их до более чем 99.999% скорости света, столкните их и откройте еще большие истины о Вселенной - , включая точную физику и распады частиц, таких как бозон Хиггса и топ-кварк - , чем когда-либо прежде.
Весенний семинар по программе Muon Accelerator Program в Фермилабе только что завершился, а выше находится прототип радиочастотного модуля MICE 201-мегагерц, который увеличивает мюоны на 11 МэВ на каждый метр длины и одновременно уменьшает поперечное (из стороны в сторону) скорость, необходимая для удержания луча в коллимированном состоянии. Используемый метод известен как ионизационное охлаждение, и, следовательно, это объясняет аббревиатуру MICE: эксперимент по охлаждению с мюонной ионизацией (MICE).
Когда-то несбыточная мечта, и ее хулители утверждают, что время жизни мюона всегда будет слишком большим ограничивающим фактором, круговой мюонный ускоритель/коллайдер вполне может быть тем самым ускорителем частиц, который откроет следующий граница Вселенной за пределами того, что может исследовать БАК. И это та же самая физика - физика специальной теории относительности, замедление времени и сокращение длины - которая позволяет космическим мюонам достигать поверхности Земли, что сделает это возможным! (См. здесь слайды выступления лауреата Нобелевской премии Карло Руббиа о создании «Фабрики Хиггса» на основе мюонов.)
Так что спасибо за хороший вопрос и отличный повод исследовать этот захватывающий рубеж, который еще может совершить прыжок из научной фантастики в реальность, MegaN00B. Это один из самых передовых «Спросите Итана», который мы делали за долгое время! И если у вас есть вопрос или предложение, которое вы хотели бы опубликовать, отправьте его здесь. Никогда не знаешь, следующая колонка может быть твоей!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs.