🚳 🕕 ♊️ اسأل إيثان رقم 90: الميونات ، والنسبية ، وسجل جديد 👸🏾 📗 ✋🏽

كواحد من الاختبارات الأولى للنظرية النسبية الخاصة ، يمكن أن يؤدي إلى إنشاء أكبر معجل للجسيمات في كل العصور.

يبدو أن الماضي يبقى كما نغادره ، والحاضر يتحرك باستمرار ؛ يحيط بك عدم الاستقرار.
- توم ستوبارد

تتكون كل ظاهرة طبيعية لاحظناها في الكون بأكمله من نفس الجسيمات: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات مع الفوتونات. على الأقل ، يُعتقد عادةً ذلك ، ولكن معهم كمية كبيرة من النيوترينوات ، مضادات النيوترينو ، كمية هائلة من المادة المظلمة ، بالإضافة إلى مجموعة من الجسيمات عالية الطاقة غير المستقرة تشارك في الحالة. أحدهم ، الميون ، أصبح موضوعًا لسؤال مثير للاهتمام للغاية من مستخدم MegaN00B:

لقد ذكرت مؤخرًا في مدونتك أن الأشعة الكونية ، عند دخول الغلاف الجوي ، تولد جزيئات (يبدو لي ، الميونات) ، وكيف تساعد النسبية الميونات على الذهاب إلى أبعد من يمكنهم ، لأنهم يجب أن يتحللوا قبل أن يصلوا إلى السطح.
وكيف سيبدو هذا المسار من وجهة نظر الميون؟

لنبدأ من جديد ونخبرك عن الميونات.

كل ما نعرفه تقريبًا - الذرات والجزيئات والكواكب والنجوم والسدم والمجرات - يتم إنشاؤه من العديد من الجسيمات الأساسية المعروفة: الفوتونات والإلكترونات والغلوونات ، بالإضافة إلى الكواركات التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات. هناك أيضًا النيوترينوات ومضادات النيوترينو التي نادرًا ما تتفاعل مع المادة ، وكذلك المادة المظلمة ، التي لا نعرف وجودها إلا من خلال الجاذبية. كل شيء آخر يمكن إنشاؤه ، وجميع الجسيمات الأساسية الأخرى غير مستقرة بشكل رهيب ، أي أنها تتحلل بمرور الوقت إلى شيء أسهل وأكثر استقرارًا.

من بين جميع هذه الجسيمات غير المستقرة ، يكون الميون هو الأقرب إلى الجسيمات المستقرة ، لأنه يعيش حياة "طويلة" بمتوسط 2.2 ميكروثانية ، وهي أوامر بحجم أكبر من البقية. Muon - كما لو أن ابن عم الإلكترون أثقل فقط ، ولكن له نفس الخصائص:
• رقم ليبتون ،
• شحنة كهربائية ،
• دوران ،
• عزم مغناطيسي ،

إلا أنه أثقل بـ 206 مرات ، وبعد أن يحل مصيره الكمي ، يتحلل إلى إلكترون ونيوترينينين.

الشيء الغريب هو أنه إذا مدت يدك بالتوازي مع الأرض ، فستمر كل ثانية ميون خلالها. تولد هذه الميونات في الجزء العلوي من الغلاف الجوي ، حيث تتصادم باستمرار الجسيمات عالية الطاقة ، والمعروفة أيضًا باسم الأشعة الكونية. هذه هي البروتونات بشكل رئيسي ، ولكنها ذات طاقات عالية جدًا: فهي تصطدم بالذرات لدرجة أنها تسبب الاستحمام الهوائي للجسيمات - ظهور أزواج المادة / المادة المضادة ، وكذلك الجسيمات الثقيلة غير المستقرة مثل البيونات ، والتي يمكن أن تتحلل أيضًا (على سبيل المثال ، في نفس الميونات )

هذا لا ينبغي أن يفاجئك: إذا سمعت عن E = mc ² ، فأنت تفهم أنه من الممكن إنشاء جسيمات جديدة تلقائيًا من خلال اصطدام جسيمين معًا بسرعات عالية بما فيه الكفاية. نحسب: حتى إذا كانت الجسيمات تتحرك بسرعة الضوء تقريبًا ، 300000 كم / ثانية ، وتعيش 2.2 ميكروثانية ، يجب ألا تسافر أكثر من 660 مترًا قبل التحلل.

ومع ذلك ، أنا أتحدث عن حقيقة أن هذه الجسيمات يتم إنشاؤها في الجزء العلوي من الغلاف الجوي ، على بعد حوالي 100 كم من الأرض ، أو 100000 متر! من وجهة نظرنا ، يجب ألا يطير الميون إلى الأرض. ومع ذلك ، يحفظ أينشتاين كل شيء - كلما اقتربت الأجسام من سرعة الضوء ، كلما كانت ساعاتها أبطأ.

من وجهة نظرنا ، فإن الميون يتحرك بنسبة 99.9995 ٪ من سرعة الضوء سيشهد تدفقًا للوقت يتباطأ 1000 مرة مقارنة بميون يستريح. لذا بدلاً من مسار 660 مترًا ، يمكن أن يطير 660 كيلومترًا قبل أن يتحلل. هذا الاختلاف بالنسبة للميونات التي يبلغ متوسط عمرها 2.2 ثانية يعني أنه بدلاً من فرصة واحدة من أصل 10 ⁶⁶ يصلون إليك (سيكون لديهم مثل هذه الفرصة دون أي تمدد زمني) فإنهم يحصلون على فرصة بنسبة 86 ٪ للقيام بذلك.

وكيف ستبدو من جانب الميون؟ من وجهة نظره ، يتدفق الوقت بشكل طبيعي ، ظهر في الغلاف الجوي العلوي ونزل إلى الأرض. لكن "على الأرض" بالنسبة له لا تعني لنا نفس الشيء على الإطلاق!

يشعر الميون أن وقته يتدفق بشكل طبيعي ، لكن العالم كله يتحرك نحوه بسرعة 99.9995٪ من الضوء. بالإضافة إلى إبطاء الوقت ، يرى الميون آثار تقصير الطول ، أي مسافة 100 كم التي يحتاجها للسفر تبدو أصغر منه 1000 مرة ، أي مثل 100 متر. ولديه فرصة بنسبة 86 ٪ للوصول إلى الأرض قبل أن تتحلل ، حتى لو كنت تحسب من وجهة نظره.

إدراك كل هذا يقودنا إلى الإغراء: إذا ، من خلال تسريع الميون إلى سرعة الضوء تقريبًا ، قمنا بإطالة عمره ، ربما يمكننا استخدام هذا لإنشاء مسرع الجسيمات المثالي!

عادة في المسرعات / المصادمات نستخدم جسيمًا مستقرًا (أو مضادًا للجسيمات) ، مثل إلكترون ، بوزيترون ، بروتون ، مضاد للبروتون. باستخدام مجال كهربائي ، نقوم بتسريع الجسيم ، ومع المجال المغناطيسي نقوم بثني مساره. للحلقة أهمية كبيرة ، حيث يمكن استخدام نفس "المسار" بشكل متكرر ، مما يسرع الجسيم إلى طاقات أعلى من أي وقت مضى ولسرعات مختلفة عن الضوء الذي يقل عن كيلومتر واحد في الثانية.

لكن هناك مشكلة نود أن نحقق نفس الطاقات المتوفرة في المصادم LHC ، في مصادمات الإلكترون البوزيترون. عندما يتصادم بروتونان في LHC ، يتم توزيع طاقة التصادم ليس فقط بين الكواركات الثلاثة في كل بروتون ، ولكن أيضًا بين جميع الغلونات في عمقها. لا تفقد فقط كل الطاقة التي اكتسبتها بصعوبة كبيرة ، بل تحصل أيضًا على الكثير من "القمامة" ، لأن كل هذه الكواركات التي تحتوي على جلوونات تخلق فوضى كاملة في الكاشف.

ولكن على مصادمات الإلكترون البوزيترون ، من المستحيل ماديًا تحقيق نفس الطاقات كما في البروتونات. تم استخدام نفس النفق الذي يبلغ طوله 27 كم والذي يعمل الآن في المصادم LHC سابقًا في مصادم Electron-Positron الكبير. ولكن في حين يمكن تحقيق طاقات 13 تي في ، أو 13،000،000،000،000 فولت ، على LHC ، 114 جي في ، أو 114،000،000،000 إي في ، يمكن تحقيقها في BEC. أين الفرق مائة مرة؟ ليس بسبب حجم الحلقة (فهي متطابقة) ، ليس بسبب قوة المغناطيس (إذا كان هناك مغناطيس اليوم في الماضي ، فلن يتغير شيء) ، ولكن لأن الجسيمات المشحونة تتسارع ، وتثني مسارها في مجال مغناطيسي ، وتنبعث منها.

يُعرف هذا التأثير بإشعاع السنكروترون ، ويتسبب في فقدان الجسيمات المشحونة للطاقة بنسبة عكسية مع القوة الرابعة للكتلة. وهذا يعني أن الإلكترون الذي يزن 1836 مرة أقل من البروتون يفقد الطاقة 10 ¹³ مرة أسرع! إنه لأمر مؤسف ، لأنه إذا استطعنا اصطدام الإلكترونات والبوزيترونات بنفس طاقات الهدرونات ، فيمكننا قياس الطاقات الأعلى لمراكز الكتلة بدقة أكبر والحصول على بيانات أفضل في الكاشف.

لكن إذا تمكنا من الاستفادة من تمدد الوقت بالميونات ، فيمكننا بناء مصادم ميون ، بما أن 206 مرة أكثر من إلكترون ، فإن الوزن سيسمح لنا بفقدان طاقة أقل من المليار مرة يفقدها الإلكترون بعد كل مرور خلال الحلقة.

في حين أن هناك عقبات يجب التغلب عليها لبناء مصادم الميون ، ولكن إذا تمكنا من إحضار الميونات (والأنتيمون) إلى شعاع متوازي وتشغيلها في حلقة التسريع بسرعة أولية كافية ، يمكننا تسريعها إلى 99.999٪ من سرعة الضوء ، ودفعها وفتحها المزيد من الحقائق المدهشة حول الكون - بما في ذلك الفيزياء عالية الدقة وانحلال الجزيئات مثل بوزون هيجز والكوارك العلوي.

انتهى للتو مؤتمر الربيع العامل حول برنامج إنشاء مسرع الميون في Fermilab (مايو 2015). في الجزء العلوي ، ترى النموذج الأولي لوحدة الراديو MICE 201 MHz التي تسرع الميونات بمقدار 11 MeV لكل متر من الطول ، مع تقليل السرعة الجانبية في الوقت نفسه ، وهو أمر ضروري للحفاظ على موازاة الشعاع. تُعرف هذه التقنية بتبريد التأين ، ومن هنا الاختصار: تجربة تبريد التأين بالميون ، MICE.

مفهوم مصادم Muon

كان هذا في السابق حلمًا مزعجًا ، وقد جادل النقاد بأن عمر الميون سيكون دائمًا محدودًا للغاية. الآن ، قد يصبح مسرع الميون المعجل نفسه الذي سيفتح حدودًا جديدة للكون ، تتجاوز قدرات LHC. ونفس الفيزياء - فيزياء STR ، من إطالة الوقت وتقصير الطول - مما يسمح للميونات الفضائية بالوصول إلى سطح الأرض ، ستجعل مسرعًا جديدًا ممكنًا! (شرائح من تقرير الحائز على جائزة نوبل كارلو ربيا عن مشروع إنشاء "مصنع هيجز" على أساس الميونات).

شكرا لك على السؤال الرائع والعذر لاستكشاف الآفاق المذهلة التي ستسمح لنا يوما ما بالانتقال من الخيال العلمي إلى الواقع. أرسل لي أسئلتك واقتراحاتك للمقالات التالية.

اسأل إيثان رقم 90: الميونات ، والنسبية ، وسجل جديد

More articles: