[Перевод] Спросите Итана №90: Мюоны, относительность и новый рекорд

Как одна из первых проверок специальной теории относительности может привести к созданию величайшего ускорителя частиц всех времён.

Кажется, что прошлое остаётся таким, каким мы его оставляем, а настоящее постоянно движется; оно окружает тебя нестабильностью.
— Том Стоппард

Каждое естественное явление, наблюдавшееся нами во всей Вселенной, состоит из одних и тех же частиц: протонов, нейтронов и электронов, вместе с фотонами. По крайней мере, обычно так считается, но вместе с ними в деле участвует огромное количество нейтрино, антинейтрино, сверхмассивное количество тёмной материи, а также, набор нестабильных высокоэнергетических частиц. Одна из них, мюон, стала темой очень интересного вопроса от пользователя MegaN00B:

Недавно в вашем блоге вы упомянули, что космические лучи, входя в атмосферу, порождают частицы (мне кажется, мюоны), и то, как относительность помогает мюонам пройти дальше, чем они могли бы, поскольку они должны распадаться до того, как достигнут поверхности.
А как бы выглядел этот путь с точки зрения мюона?

Начнём сначала, и расскажем вам про мюоны.

Практически всё, что нам известно – атомы, молекулы, планеты, звёзды, туманности, галактики – создано из нескольких известных фундаментальных частиц: фотонов, электронов, глюонов, а также кварков, составляющих протоны и нейтроны. Ещё есть нейтрино и антинейтрино, редко взаимодействующие с материей, а также тёмная материя, о чьём присутствии мы знаем лишь благодаря гравитации. Всё остальное, что можно создать, все остальные фундаментальные частицы ужасно нестабильны, то есть, распадаются со временем на что-нибудь более лёгкое и стабильное.

Из всех этих нестабильных частиц мюон ближе всех находится к стабильным, так как проживает «долгую» жизнь длиною в среднем в 2,2 микросекунды, что на порядки дольше, чем живут остальные. Он похож на более тяжёлого двоюродного брата электрона, так как он обладает теми же свойствами:
• лептонное число,
• электрический заряд,
• спин,
• магнитный момент,

за исключением того, что он в 206 раз тяжелее, и после того, как его квантовая судьба решена, он распадается на электрон и два нейтрино.

Странно то, что если вы вытяните руку параллельно Земле, каждую секунду через неё будет проходить один мюон. Эти мюоны рождаются в верхней части атмосферы, в которую постоянно врезаются высокоэнергетические частицы, также известные, как космические лучи. Это в основном протоны, но очень высоких энергий: они так сильно врезаются в атомы, что это вызывает широкие атмосферные ливни частиц – возникновение пар материи/антиматерии, а также тяжёлых нестабильных частиц вроде пионов, которые также могут распадаться (например, на те же мюоны).

Это не должно вас удивлять: если вы слышали про E = mc², вы понимаете, что возможно спонтанно создавать новые частицы, сталкивая две частицы вместе с достаточно большими скоростями. Подсчитаем: даже если частицы двигаются почти со скоростью света, 300 000 км/с, и живут 2,2 микросекунды, они должны пройти не более 660 метров, прежде чем распасться.

Однако же я говорю о том, что эти частицы создаются в верхней части атмосферы, примерно в 100 км от Земли, или в 100 000 метров! С нашей точки зрения, мюон не должен долететь до земли. Однако всё спасает Эйнштейн – чем ближе к скорости света двигаются объекты, тем медленнее идут их часы.

С нашей точки зрения, мюон, движущийся с 99,9995% от скорости света, будет испытывать течение времени, замедленное в 1000 раз по сравнению с покоящимся мюоном. Так что вместо пути в 660 метров он может пролететь 660 километров до того, как распадётся. Эта разница для мюонов со средним временем жизни в 2,2 мкс означает, что вместо одного шанса из 10⁶⁶ достичь вас (такой шанс был бы у них без всякого замедления времени) они получают 86% шанс это сделать.

И как бы это выглядело со стороны мюона? С его точки зрения время течёт нормально, он появился в верхних слоях атмосферы и спустился до земли. Но «до земли» для него значит совсем не то же самое, что для нас!

Мюон ощущает, что его время течёт нормально, но весь мир движется ему навстречу со скоростью в 99,9995% от световой. Кроме замедления времени мюон видит эффекты сокращения длины, то есть дистанция в 100 км, которую ему нужно пройти, кажется ему в 1000 раз меньшей, то есть, как 100 метров. И у него есть 86% шанс дойти до земли до того, как он распадётся, даже если считать с его точки зрения.

Осознание всего этого приводит нас к искушению: если, разгоняя мюон почти до скорости света, мы удлиняем время его жизни, возможно, мы можем использовать это для создания идеального ускорителя частиц!

Обычно в ускорителях/коллайдерах мы используем стабильную частицу (или античастицу), вроде электрона, позитрона, протона, антипротона. При помощи электрического поля мы ускоряем частицу, а при помощи магнитного – искривляем её путь. Кольцо имеет большую важность, так как одну и ту же «трассу» можно использовать многократно, разгоняя частицу до всё более высоких энергий и до скоростей, отличающихся от световой гораздо меньше, чем на один километр в секунду.

Но тут есть проблема. Мы бы хотели достичь таких же энергий, какие доступны на БАК, на электрон-позитронных коллайдерах. Когда в БАК сталкиваются два протона, энергия столкновения распределяется не только между всеми тремя кварками в каждом протоне, но и между всеми глюонами глубоко внутри. Вы не только теряете почти всю энергию, которую с таким трудом набирали, вы ещё получаете кучу «мусора», поскольку все эти кварки с глюонами создают полный хаос в детекторе.

Но на электрон-позитронных коллайдерах физически невозможно достичь таких же энергий, как на протонных. Тот же самый тоннель длиной в 27 км, что сейчас работает в БАК, раньше использовался в Большом электрон-позитронном коллайдере. Но тогда как на БАК можно достичь энергий в 13 ТэВ, или 13 000 000 000 000 эВ, на БЭПК можно было достичь энергий в 114 ГэВ, или 114 000 000 000 эВ. Откуда разница в сто раз? Не из-за размера кольца (они идентичны), не из-за силы магнитов (если бы в прошлом были сегодняшние магниты, ничего бы не поменялось), но из-за того, что заряженные частицы ускоряются, изгибая свою траекторию в магнитном поле, и излучают.

Этот эффект известен, как синхротронное излучение, и он заставляет заряженные частицы терять энергию обратно пропорционально четвёртой степени массы. Это значит, что электрон, весящий в 1836 раз меньше протона, теряет энергию в 10¹³ раз быстрее! А жаль, ибо если бы мы могли сталкивать электроны и позитроны на тех же энергиях, что и адроны, мы могли бы точнее измерять более высокие энергии центров масс и получать лучшие данные в детекторе.

Но если бы мы смогли воспользоваться замедлением времени у мюонов, мы бы могли построить мюонный коллайдер, поскольку в 206 раз больший, чем у электрона, вес позволит нам терять в два миллиарда раз меньше энергии, чем теряет электрон после каждого прохода по кольцу.

Пока существует препятствия, которые необходимо преодолеть для постройки мюонного коллайдера, но если мы сможем свести мюоны (и антимюоны) в параллельный пучок и запустить их в кольцо ускорителя с достаточной начальной скоростью, мы сможем разогнать их до 99,999% скорости света, столкнуть их и открыть ещё более удивительные факты о Вселенной – включая высокоточную физику и распад таких частиц, как бозон Хиггса и верхний кварк.

Рабочая весенняя конференция по программе создания мюонного ускорителя в Фермилаб только что (май 2015) закончилась. Вверху вы видите прототип радиомодуля на 201 МГц MICE, ускоряющего мюоны на 11 МэВ на каждый метр длины, одновременно уменьшающий боковую скорость, что необходимо для сохранения параллельности пучка. Эта техника известна под названием ионизационного охлаждения, отсюда и аббревиатура: эксперимент по ионизационному охлаждению мюонов [Muon Ionization Cooling Experiment, MICE].

Концепция мюонного коллайдера

Когда-то это была несбыточная мечта, а критики утверждали, что время жизни мюона всегда будет слишком большим ограничением. Теперь же мюонный ускоритель вполне может стать тем самым ускорителем, который откроет новые границы Вселенной, выйдя за возможности БАК. И та же самая физика – физика СТО, удлинения времени и сокращения длины – позволяющая космическим мюонам достичь поверхности Земли, сделает возможным и новый ускоритель! (Слайды доклада нобелевского лауреата Карло Руббиа по проекту создания «хиггсовской фабрики» на основе мюонов).

Спасибо за прекрасный вопрос и предлог исследовать удивительные горизонты, которые когда-нибудь позволят нам сделать прыжок от научной фантастики до реальности. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.