🥩 🍒 🏴‍☠️ Fragen Sie Ethan Nr. 90: Myonen, Relativitätstheorie und einen neuen Rekord 🤖 🙇🏻 📽️

Als einer der ersten Tests der speziellen Relativitätstheorie kann daraus der größte Teilchenbeschleuniger aller Zeiten entstehen.

Es scheint, dass die Vergangenheit so bleibt, wie wir sie verlassen, und die Gegenwart sich ständig bewegt; es umgibt dich mit Instabilität.
- Tom Stoppard

Jedes natürliche Phänomen, das wir im gesamten Universum beobachtet haben, besteht aus denselben Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen zusammen mit Photonen. Zumindest wird dies normalerweise angenommen, aber bei ihnen sind eine große Menge an Neutrinos, Antineutrinos, eine supermassive Menge an dunkler Materie sowie eine Reihe instabiler hochenergetischer Partikel an dem Fall beteiligt. Einer von ihnen, das Myon, wurde Gegenstand einer sehr interessanten Frage des MegaN00B-Benutzers:

Kürzlich haben Sie in Ihrem Blog erwähnt, dass kosmische Strahlen beim Eintritt in die Atmosphäre Partikel produzieren (es scheint mir, Myonen) und wie die Relativität Myonen hilft, weiter zu gehen sie könnten, weil sie verfallen müssen, bevor sie die Oberfläche erreichen.
Und wie würde dieser Weg aus der Sicht des Myons aussehen?

Fangen wir von vorne an und erzählen Ihnen von Myonen.

Fast alles, was wir wissen - Atome, Moleküle, Planeten, Sterne, Nebel, Galaxien - wird aus mehreren bekannten Grundpartikeln erzeugt: Photonen, Elektronen, Gluonen sowie Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Es gibt auch Neutrinos und Antineutrinos, die selten mit Materie interagieren, sowie dunkle Materie, deren Anwesenheit wir nur durch die Schwerkraft kennen. Alles andere, was erzeugt werden kann, alle anderen fundamentalen Teilchen sind schrecklich instabil, das heißt, sie zerfallen im Laufe der Zeit in etwas Leichteres und Stabileres.

Von all diesen instabilen Teilchen ist das Myon den stabilen am nächsten, da es eine "lange" Lebensdauer mit einer durchschnittlichen Länge von 2,2 Mikrosekunden hat, was um Größenordnungen länger ist als die übrigen. Myon - als ob der Cousin des Elektrons nur schwerer wäre, aber die gleichen Eigenschaften hat:
• Leptonzahl,
• elektrische Ladung,
• Spin,
• magnetisches Moment,

außer dass es 206-mal schwerer ist, und nachdem sein Quantenschicksal gelöst ist, zerfällt es in ein Elektron und zwei Neutrinos.

Das Seltsame ist, dass, wenn Sie Ihre Hand parallel zur Erde ausstrecken, jedes zweite Myon durch sie hindurchgeht. Diese Myonen werden im oberen Teil der Atmosphäre geboren, in die energiereiche Teilchen, auch als kosmische Strahlung bekannt, ständig einschlagen. Dies sind hauptsächlich Protonen, aber von sehr hoher Energie: Sie stoßen so stark gegen Atome, dass es zu ausgedehnten Luftschauern von Partikeln kommt - das Auftreten von Materie / Antimaterie-Paaren sowie von schweren instabilen Partikeln wie Pionen, die ebenfalls zerfallen können (z. B. in dieselben Myonen) )

Dies sollte Sie nicht überraschen: Wenn Sie von E = mc ^{2 gehört haben} , verstehen Sie, dass es möglich ist, spontan neue Partikel zu erzeugen, indem zwei Partikel mit ausreichend hohen Geschwindigkeiten zusammenstoßen. Wir berechnen: Selbst wenn sich die Partikel mit fast Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km / s bewegen und 2,2 Mikrosekunden leben, dürfen sie sich vor dem Zerfall nicht mehr als 660 Meter fortbewegen.

Ich spreche jedoch von der Tatsache, dass diese Partikel im oberen Teil der Atmosphäre entstehen, etwa 100 km von der Erde entfernt oder 100.000 Meter! Aus unserer Sicht sollte das Myon nicht zu Boden fliegen. Einstein spart jedoch alles - je näher die Objekte der Lichtgeschwindigkeit kommen, desto langsamer laufen ihre Uhren.

Aus unserer Sicht wird ein Myon, das sich mit 99,9995% der Lichtgeschwindigkeit bewegt, einen 1000-mal langsameren Zeitfluss erfahren als ein ruhendes Myon. Anstelle eines Weges von 660 Metern kann er also 660 Kilometer fliegen, bevor er verfällt. Dieser Unterschied für Myonen mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 2,2 μs bedeutet, dass sie anstelle einer Chance von 10 ^{66 Sie} erreichen (sie hätten eine solche Chance ohne Zeitdilatation), eine Chance von 86%, dies zu tun.

Und wie würde es von der Seite des Myons aussehen? Aus seiner Sicht fließt die Zeit normal, er erschien in der oberen Atmosphäre und ging auf die Erde hinunter. Aber "zu Boden" bedeutet für ihn keineswegs dasselbe wie für uns!

Der Myon spürt, dass seine Zeit normal fließt, aber die ganze Welt bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 99,9995% des Lichts auf ihn zu. Zusätzlich zur Verlangsamung der Zeit sieht der Myon die Auswirkungen einer Verkürzung der Länge, dh die Entfernung von 100 km, die er zurücklegen muss, erscheint ihm 1000-mal kleiner, dh 100 Meter. Und er hat eine 86% ige Chance, die Erde zu erreichen, bevor sie zerfällt, selbst wenn Sie aus seiner Sicht zählen.

Das Bewusstsein für all dies führt uns zur Versuchung: Wenn wir durch Beschleunigung des Myons fast auf Lichtgeschwindigkeit seine Lebensdauer verlängern, können wir dies vielleicht nutzen, um den idealen Teilchenbeschleuniger zu schaffen!

Normalerweise verwenden wir in Beschleunigern / Kollidern ein stabiles Teilchen (oder Antiteilchen) wie ein Elektron, Positron, Proton, Antiproton. Mit einem elektrischen Feld beschleunigen wir ein Teilchen und mit einem Magnetfeld biegen wir seinen Weg. Der Ring ist von großer Bedeutung, da derselbe "Weg" wiederholt verwendet werden kann, wodurch das Teilchen auf immer höhere Energien und Geschwindigkeiten beschleunigt wird, die sich vom Licht unterscheiden und viel weniger als einen Kilometer pro Sekunde betragen.

Aber es gibt ein Problem. Wir möchten die gleichen Energien erreichen, die am LHC bei Elektronen-Positronen-Kollidern verfügbar sind. Wenn zwei Protonen im LHC kollidieren, wird die Kollisionsenergie nicht nur zwischen allen drei Quarks in jedem Proton verteilt, sondern auch zwischen allen Gluonen tief im Inneren. Sie verlieren nicht nur fast die gesamte Energie, die Sie so stark gewonnen haben, sondern Sie bekommen auch viel „Müll“, weil all diese Quarks mit Gluonen ein vollständiges Chaos im Detektor verursachen.

Bei Elektronen-Positronen-Kollidern ist es jedoch physikalisch unmöglich, die gleichen Energien wie bei Protonen-Kollidern zu erzielen. Der gleiche 27 km lange Tunnel, der jetzt im LHC funktioniert, wurde zuvor im Large Electron-Positron Collider verwendet. Während auf dem LHC Energien von 13 TeV oder 13.000.000.000.000 eV erreicht werden konnten, konnten auf dem BEC 114 GeV oder 114.000.000.000 eV erreicht werden. Wo ist der Unterschied hundertmal? Nicht wegen der Größe des Rings (sie sind identisch), nicht wegen der Stärke der Magnete (wenn es in der Vergangenheit heutige Magnete gegeben hätte, hätte sich nichts geändert), sondern weil sich die geladenen Teilchen beschleunigen und ihren Weg in einem Magnetfeld biegen. und emittieren.

Dieser Effekt ist als Synchrotronstrahlung bekannt und führt dazu, dass geladene Teilchen Energie in umgekehrtem Verhältnis zur vierten Potenz der Masse verlieren. Dies bedeutet, dass ein Elektron, das 1836-mal weniger wiegt als ein Proton, 10 bis ^13- mal schneller Energie verliert ! Schade, denn wenn wir Elektronen und Positronen mit den gleichen Energien wie Hadronen kollidieren könnten, könnten wir die höheren Energien der Massenschwerpunkte genauer messen und bessere Daten im Detektor erhalten.

Wenn wir jedoch die Zeitdilatation in Myonen nutzen könnten, könnten wir einen Myonenkollider bauen, da das Gewicht 206-mal mehr als das eines Elektrons ist und wir zwei Milliarden Mal weniger Energie verlieren können, als das Elektron nach jedem Durchgang durch den Ring verliert.

Es gibt zwar Hindernisse, die überwunden werden müssen, um den Myon Collider zu bauen, aber wenn wir die Myonen (und Antimuonen) in einen parallelen Strahl bringen und sie mit einer ausreichenden Anfangsgeschwindigkeit in den Beschleunigerring laufen lassen können, können wir sie auf 99,999% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, sie drücken und öffnen Noch erstaunlichere Fakten über das Universum - einschließlich hochpräziser Physik und des Zerfalls von Teilchen wie dem Higgs-Boson und dem oberen Quark.

Eine Arbeitsfrühlingskonferenz zum Programm zur Schaffung eines Myonenbeschleunigers in Fermilab ist gerade zu Ende gegangen (Mai 2015). Oben sehen Sie den Prototyp des 201-MHz-MICE-Funkmoduls, der Myonen um 11 MeV pro Meter Länge beschleunigt und gleichzeitig die Quergeschwindigkeit verringert, die zur Aufrechterhaltung der Strahlparallelität erforderlich ist. Diese Technik ist als Ionisationskühlung bekannt, daher die Abkürzung: Muon Ionization Cooling Experiment, MICE.

Myon Collider Konzept

Dies war einst ein Wunschtraum, und Kritiker haben argumentiert, dass die Lebensdauer des Myons immer eine zu große Einschränkung sein wird. Jetzt könnte der Myonenbeschleuniger genau der Beschleuniger werden, der neue Grenzen des Universums öffnet und über die Fähigkeiten des LHC hinausgeht. Und die gleiche Physik - die Physik von STR, die Zeit zu verlängern und die Länge zu verkürzen -, die es Raum-Myonen ermöglicht, die Erdoberfläche zu erreichen, wird einen neuen Beschleuniger ermöglichen! (Folien aus dem Bericht des Nobelpreisträgers Carlo Rubbia über das Projekt der Schaffung einer "Higgs-Fabrik" auf Myonenbasis).

Vielen Dank für die wunderbare Frage und die Ausrede, die erstaunlichen Horizonte zu erkunden, die es uns eines Tages ermöglichen werden, den Sprung von der Science-Fiction in die Realität zu schaffen. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

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