👩🏿‍🚒 🎩 🤘 Pregúntele a Ethan No. 90: muones, relatividad y un nuevo récord 🌊 👩🏼‍🤝‍👨🏾 🖼️

Como una de las primeras pruebas de la teoría especial de la relatividad, puede conducir a la creación del mayor acelerador de partículas de todos los tiempos.

Parece que el pasado permanece como lo dejamos, y el presente se mueve constantemente; te rodea de inestabilidad.
- Tom Stoppard

Cada fenómeno natural que observamos en todo el Universo consta de las mismas partículas: protones, neutrones y electrones, junto con fotones. Al menos, generalmente se cree que sí, pero con ellos una gran cantidad de neutrinos, antineutrinos, una cantidad supermasiva de materia oscura, así como un conjunto de partículas inestables de alta energía participan en el caso. Uno de ellos, el muón, se convirtió en el tema de una pregunta muy interesante del usuario de MegaN00B:

recientemente mencionaste en tu blog que los rayos cósmicos, al entrar en la atmósfera, producen partículas (me parece, muones), y cómo la relatividad ayuda a los muones a ir más allá de podrían, porque deben descomponerse antes de llegar a la superficie.
¿Y cómo sería este camino desde el punto de vista del muón?

Empecemos de nuevo y te contamos sobre los muones.

Casi todo lo que sabemos (átomos, moléculas, planetas, estrellas, nebulosas, galaxias) se crea a partir de varias partículas fundamentales bien conocidas: fotones, electrones, gluones, así como quarks que forman protones y neutrones. También hay neutrinos y antineutrinos que rara vez interactúan con la materia, así como con la materia oscura, cuya presencia solo conocemos por gravedad. Todo lo demás que se puede crear, todas las demás partículas fundamentales son terriblemente inestables, es decir, se descomponen con el tiempo en algo más fácil y más estable.

De todas estas partículas inestables, el muón es el más cercano a los estables, ya que vive una vida "larga" con una longitud promedio de 2.2 microsegundos, que es un orden de magnitud más largo que el resto. Muón: como si fuera el primo del electrón, solo más pesado, pero tiene las mismas propiedades:
• número de leptones,
• carga eléctrica,
• giro,
• momento magnético,

excepto que es 206 veces más pesado, y después de que se resuelve su destino cuántico, se descompone en un electrón y dos neutrinos.

Lo extraño es que si extiendes tu mano paralela a la Tierra, cada segundo un muón la atravesará. Estos muones nacen en la parte superior de la atmósfera, en la cual las partículas de alta energía, también conocidas como rayos cósmicos, chocan constantemente. Estos son principalmente protones, pero de muy altas energías: chocan contra los átomos tanto que provoca grandes chorros de partículas de aire: la aparición de pares de materia / antimateria, así como partículas pesadas inestables como los piones, que también pueden descomponerse (por ejemplo, en los mismos muones). )

Esto no debería sorprenderle: si escuchó sobre E = mc ² , comprende que es posible crear nuevas partículas espontáneamente al chocar dos partículas con velocidades suficientemente altas. Calculamos: incluso si las partículas se mueven casi a la velocidad de la luz, 300,000 km / s, y viven 2.2 microsegundos, deben viajar no más de 660 metros antes de descomponerse.

Sin embargo, estoy hablando del hecho de que estas partículas se crean en la parte superior de la atmósfera, a unos 100 km de la Tierra, ¡o 100.000 metros! Desde nuestro punto de vista, el muón no debería volar al suelo. Sin embargo, Einstein guarda todo: cuanto más se acercan los objetos a la velocidad de la luz, más lentos son sus relojes.

Desde nuestro punto de vista, un muón que se mueve al 99.9995% de la velocidad de la luz experimentará un flujo de tiempo más lento 1000 veces en comparación con un muón en reposo. Entonces, en lugar de una ruta de 660 metros, puede volar 660 kilómetros antes de que se descomponga. Esta diferencia para los muones con una vida útil promedio de 2.2 μs significa que en lugar de una posibilidad de cada 10 ^{66 te} alcanzan (tendrían esa posibilidad sin dilatación de tiempo) tienen un 86% de posibilidades de hacerlo.

¿Y cómo se vería desde el costado del muón? Desde su punto de vista, el tiempo fluye normalmente, apareció en la atmósfera superior y bajó a la tierra. ¡Pero "en el suelo" para él no significa lo mismo que para nosotros!

El muón siente que su tiempo fluye normalmente, pero el mundo entero se está moviendo hacia él a una velocidad del 99.9995% de la luz. Además de ralentizar el tiempo, el muón ve los efectos de acortar la longitud, es decir, la distancia de 100 km que necesita para viajar le parece 1000 veces más pequeña, es decir, como 100 metros. Y tiene un 86% de posibilidades de llegar a la tierra antes de que se descomponga, incluso si cuenta desde su punto de vista.

La conciencia de todo esto nos lleva a la tentación: si, al acelerar el muón casi a la velocidad de la luz, alargamos su tiempo de vida, ¡tal vez podamos usar esto para crear el acelerador de partículas ideal!

Por lo general, en aceleradores / colisionadores usamos una partícula estable (o antipartícula), como un electrón, positrón, protón, antiprotón. Usando un campo eléctrico aceleramos una partícula, y con un campo magnético doblamos su camino. El anillo es de gran importancia, ya que el mismo "camino" se puede usar repetidamente, acelerando una partícula a energías cada vez más altas y a velocidades diferentes de la luz mucho menos de un kilómetro por segundo.

Pero hay un problema. Nos gustaría lograr las mismas energías que están disponibles en el LHC, en los colisionadores de electrones-positrones. Cuando dos protones chocan en el LHC, la energía de colisión se distribuye no solo entre los tres quarks en cada protón, sino también entre todos los gluones en el interior. No solo pierdes casi toda la energía que tienes tan difícil de obtener, sino que también obtienes mucha “basura”, porque todos estos quarks con gluones crean un caos completo en el detector.

Pero en los colisionadores de electrones-positrones es físicamente imposible lograr las mismas energías que en los de protones. El mismo túnel de 27 km de longitud que ahora funciona en el LHC se utilizó anteriormente en el Gran Colisionador de Positrones de Electrones. Pero mientras que las energías de 13 TeV, o 13,000,000,000,000 eV, podrían lograrse en el LHC, 114 GeV, o 114,000,000,000 eV, podrían lograrse en el BEC. ¿Dónde está la diferencia cien veces? No por el tamaño del anillo (son idénticos), no por la fuerza de los imanes (si hubiera imanes de hoy en el pasado, nada hubiera cambiado), sino porque las partículas cargadas se aceleran, doblando su trayectoria en un campo magnético, y emitir.

Este efecto se conoce como radiación sincrotrón y hace que las partículas cargadas pierdan energía en proporción inversa a la cuarta potencia de la masa. ¡Esto significa que un electrón que pesa 1836 veces menos que un protón pierde energía 10 ¹³ veces más rápido! Es una pena, porque si pudiéramos chocar electrones y positrones a las mismas energías que los hadrones, podríamos medir con mayor precisión las energías más altas de los centros de masa y obtener mejores datos en el detector.

Pero si pudiéramos aprovechar la dilatación del tiempo en muones, podríamos construir un colisionador de muones, ya que 206 veces más que el de un electrón, el peso nos permitirá perder dos mil millones de veces menos energía que la que pierde el electrón después de cada paso a través del anillo.

Si bien hay obstáculos que deben superarse para construir el colisionador de muones, pero si podemos llevar los muones (y antimuones) a un haz paralelo y pasarlos al anillo del acelerador con una velocidad inicial suficiente, podemos acelerarlos al 99.999% de la velocidad de la luz, empujarlos y abrirlos hechos aún más sorprendentes sobre el universo, incluida la física de alta precisión y la descomposición de partículas como el bosón de Higgs y el quark superior.

Acaba de finalizar una conferencia de trabajo de primavera sobre el programa para crear un acelerador de muones en Fermilab (mayo de 2015). En la parte superior, verá el prototipo del módulo de radio MICE de 201 MHz que acelera los muones en 11 MeV por metro de longitud, al tiempo que reduce la velocidad lateral, que es necesaria para mantener el paralelismo del haz. Esta técnica se conoce como enfriamiento por ionización, de ahí la abreviatura: Muon Ionization Cooling Experiment, MICE.

Concepto de colisionador de muones

Esto fue una vez un sueño imposible, y los críticos han argumentado que la vida del muón siempre será una limitación excesiva. Ahora, el acelerador de muones bien puede convertirse en el acelerador que abrirá nuevos límites del Universo, yendo más allá de las capacidades del LHC. ¡Y la misma física, la física de STR, de alargar el tiempo y acortar la longitud, permitiendo que los muones espaciales alcancen la superficie de la Tierra, hará posible un nuevo acelerador! (Diapositivas del informe del premio Nobel Carlo Rubbia sobre el proyecto de crear una "fábrica de Higgs" basada en muones).

Gracias por la maravillosa pregunta y la excusa para explorar los increíbles horizontes que algún día nos permitirán dar el salto de la ciencia ficción a la realidad. Envíame tus preguntas y sugerencias para los siguientes artículos.

Pregúntele a Ethan No. 90: muones, relatividad y un nuevo récord

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