Мюоните, по-тежките братовчеди на електроните, са полезни инструменти - с тяхна помощ могат да се изследва например вътрешността на пирамидите като с рентген, но имат недостатъка, че много бързо се разпадат. Десетилетия изследователи са се опитвали да забавят процеса на разпад или неуспешно, или с огромни усилия със свръхмощни лазери. Сега физици показват, че мюоните могат да се забавят до времеви интервал два пъти по-дълъг и то с обикновени лазери.
Всяка микросекунда каскади от милиарди мюони идват от космоса, преминавайки безвредно през телата ни с почти светлинна скорост. Тези призрачни частици, двеста пъти по-тежки от електроните, почти не взаимодействат с обикновената материя. Именно това ги прави толкова полезни. Подобно на космическите рентгенови лъчи, те изследват вътрешността на планини и язовири, разкривайки тайни, скрити под тонове скали. Те са достатъчно чувствителни, за да демонстрират законите на фундаментална физика, за които електроните могат само да загатнат.
Имат обаче един проблем. След една микросекунда, достатъчна, за да може един мюон да измине триста метра, той се разпада, изчезвайки в изблик на субатомни фрагменти.
Например, когато мюоните се разпадат, те се превръщат в електрон, антиелектронно неутрино и мюонно неутрино. Електронът и антиелектронното неутрино се отменят взаимно по аромат, оставяйки само мюонното неутрино, което има същия аромат като първоначалния мюон.
Това е едно от трайните разочарования на физиката: тези частици са изключително полезни, но изчезват, преди наистина да може да бъдат използвани. Физиците, работещи във високоенергийни съоръжения, са се примирили с това ограничение, проектирайки експерименти, съобразени с краткото съществуване на мюоните.
Сега изследователи от Университета в Плимут смятат, че са намерили начин да заобиколят този проблем. Използвайки интензивни лазерни импулси, те смятат, че могат да удължат живота на мюона два пъти, удвоявайки прозореца за измерване и за експерименти. Още по-хубаво е, че необходимите лазери са обикновени. Технологията вече се използва в лаборатории по целия свят.
"Винаги съм вярвал, че мощните лазери имат голям потенциал за изучаване на фундаменталната физика."
"Въпреки че дълго време се смяташе за практически невъзможно да се промени естествената нестабилност на мюоните, решихме да преразгледаме въпроса в светлината на развитието на експеримента и теорията", разказва д-р Бен Кинг (Ben King), който ръководи теоретичната работа с колегата си Ди Лиу (Di Liu). Резултатите, публикувани в Physical Review Letters този месец, описват механизъм, толкова хитър, че заобикаля десетилетия неуспешни опити за контролиране на разпадането на мюоните.
Това, което прави това постижение толкова изненадващо, е че всички предполагаха, че е невъзможно. В продължение на десетилетия физиците са се опитвали да използват изключително мощни електромагнитни полета – толкова интензивни, че биха разкъсали атомите – за да променят разпадането на мюоните. Изчисленията винаги са стигали до едно и също заключение: ще са необходими полета, много по-силни от всичко, което хората биха могли да създадат в лабораториите си.
Но Кинг и Лиу разглеждат изчисленията по различен начин. Повечето предишни изследвания са предполагали, че мюоните се разпадат в безкрайно разширено лазерно поле. Това е разумно приближение, ако се работи с теоретични абстракции, но не това се случва на практика. Реалните лазерни импулси имат ръбове. Те се включват и изключват във времето. И тази фина разлика, осъзнава Кинг, променя всичко.
Ето къде квантовата механика прави нещата удивително странни. Когато мюон преминава през лазерен импулс, нещо се случва с квантовото му състояние. Лазерът не го разклаща по класическия начин – той е твърде слаб за това – но му придава квантова фаза, подобно на добавянето на определен нюанс към светлинна вълна. Ключовото прозрение е, че мюонът може да се разпада по множество начини: преди да удари лазера, след като премине през него или в него. Тези различни начини на разпад в квантовата механика не остават отделни; те си взаимодействат, интерферират, подобно на звуковите вълни, пресичащи се във въздуха и или се усилват, или неутрализират в зависимост от фазите си.
"Показахме, че тази квантова интерференция между разпадащия се мюон със или без взаимодействие с импулса създава ивици в спектрите на електронния импулс", обяснява Кинг.
Когато лазерът придаде точно правилната квантова фаза, тези интерференчни модели потискат скоростта на разпад на мюона – по същество забавяйки скоростта, с която се разпада. На теория потискането може да бъде много силно: животът на мюона може да се увеличи до два пъти.
Според фазата си, вълните могат да се "гасят" или усилват и създават интерференчна картина (долу). Кредит: Wikimedia Commons
Интерференчна картина. Кредит: PICRYL, Public Domain
Механизмът е наистина елегантен
"Нашият метод предлага генерален начин за повлияване на разпадането на заредени частици, дори когато наивно моме да се очаква необходимата електромагнитна сила да бъде много по-висока от всичко, което бихме могли да се надяваме да постигнем в лабораторно", отбелязва Кинг.
На пръв поглед това звучи невъзможно: как може слаб лазер да направи това, което поле от трилион тесла не може? Отговорът се основава на нещо красиво фино: контролиращият параметър не зависи от това колко интензивно е лазерното поле. Той зависи от това докъде мюонът се измества от това поле – класически ефект, въпреки че цялостният механизъм е чисто квантов.
Последиците са големи
Мюоните, създадени при сблъсъци с висока енергия, вече имат приложения отвъд фундаменталната физика. Те могат да изследват вътрешността на египетските пирамиди (физиците са правили това) и да наблюдават структурната цялост на язовири и мостове.
Чрез удвояване на полезния им живот, изследователите печелят ценни секунди - в мюонно време, цяла вечност - за извличане на данни.
Следващото поколение ускорители на частици, за които се очаква да струват десетки милиарди паунда, може да използват мюони вместо електрони като основен инструмент, защото мюоните са по-чувствителни към определени видове нова физика. Удължаването на живота им прави такива ускорители по-практични.
Но все още съществува практическо препятствие. Теорията е основателна. Кинг и Лиу са показали математически, че ефектът би трябвало да работи с наличните днес лазери. И все пак никой не е виждал процесът да се случва.
"Това е процес, който може да бъде изследван с технологията, с която разполагаме днес", посочва Кинг. "Работим с други в тази област, за да преодолеем всички оставащи препятствия, преди да могат да се извършат експерименти, като например изключване на фоновите процеси и осигуряване на добро припокриване на мюоните с лазера."
Първите експерименти, когато ще се проведат, няма да са лесни. Мюоните трябва да бъдат създадени в лаборатория (обикновено чрез сблъскване на високоенергийни частици с мишени), след което внимателно да бъдат насочени към лазерен импулс. Самият лазер трябва да бъде синхронизиран с изключителна прецизност – наносекундите са от значение. Разсеяните частици от процеса на сблъсъка биха могли да объркат измерванията. Припокриването между мюонния лъч и лазерния фокус трябва да бъде почти перфектно.
И все пак нищо от това не е фундаментално ново.
Физиците вече създават мюони в лаборатории, използвайки лазери по различен начин. Те просто не са опитали да използват втори лазер, за да манипулират разпадането. Първият екип, който ще осъществи това, ще се опита да направи нещо теоретично предсказано, но експериментално девствено – вид работа, която привлича експерименталните физици повече от всичко друго.
Кинг не очаква откритието да стане за една нощ. Науката, той внимателно отбелязва, се развива със собствено темпо. Но фактът, че изчислението работи, че съществуващата лазерна технология е достатъчна, че фундаменталната физика е правилна - тези неща са изместили това, което досега е изглеждало невъзможно, в сферата на правдоподобното.
Мюоните, тези ефимерни частици, носещи се през Вселената, може би ще живеят по-дълго. А в особения свят на физиката на елементарните частици, където микросекундите се усещат като часове, това има много по-голямо значение, отколкото би трябвало.
https://scienceblog.com/slowing-down-the-universes-fastest-decays/
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
"Ад" на Данте описва удар на астероид 500 години преди съвременната наука
10-годишно момиче открива рядък мексикански аксолотъл. Какво знаем за тези животни
Хората с тъмни черти на характера са естествено склонни към лидерски роли, установява ново проучване
Хората с тъмни черти на характера са естествено склонни към лидерски роли, установява ново проучване