🧕 🧔🏿 ⏏️ Demandez à Ethan n ° 90: Muons, relativité et un nouveau record 😸 🎣 📞

En tant que l'un des premiers tests de la théorie spéciale de la relativité, il peut conduire à la création du plus grand accélérateur de particules de tous les temps.

Il semble que le passé reste tel que nous le quittons, et le présent est constamment en mouvement; il vous entoure d'instabilité.
- Tom Stoppard

Chaque phénomène naturel que nous avons observé dans l'Univers entier se compose des mêmes particules: protons, neutrons et électrons, ainsi que des photons. Au moins, on le pense généralement, mais avec eux, une énorme quantité de neutrinos, d'antineutrinos, une quantité supermassive de matière noire, ainsi qu'un ensemble de particules instables de haute énergie participent à l'affaire. L'un d'eux, le muon, est devenu le sujet d'une question très intéressante de l'utilisateur MegaN00B:

Récemment, vous avez mentionné dans votre blog que les rayons cosmiques, lorsqu'ils entrent dans l'atmosphère, produisent des particules (il me semble, des muons), et comment la relativité aide les muons à aller plus loin que ils pourraient, car ils doivent pourrir avant d'atteindre la surface.
Et à quoi ressemblerait ce chemin du point de vue du muon?

Commençons et parlons des muons.

Presque tout ce que nous savons - atomes, molécules, planètes, étoiles, nébuleuses, galaxies - est créé à partir de plusieurs particules fondamentales bien connues: photons, électrons, gluons, ainsi que des quarks qui constituent des protons et des neutrons. Il existe également des neutrinos et des antineutrinos qui interagissent rarement avec la matière, ainsi que la matière noire, dont nous ne connaissons la présence que par gravité. Tout ce qui peut être créé, toutes les autres particules fondamentales sont terriblement instables, c'est-à-dire qu'elles se désintègrent avec le temps en quelque chose de plus facile et de plus stable.

De toutes ces particules instables, le muon est le plus proche des particules stables, car il vit une «longue» vie avec une longueur moyenne de 2,2 microsecondes, ce qui est des ordres de grandeur plus long que les autres. Muon - comme si le cousin de l'électron, seulement plus lourd, mais avait les mêmes propriétés:
• nombre de leptons,
• charge électrique,
• spin,
• moment magnétique,

sauf qu'il est 206 fois plus lourd, et une fois son destin quantique résolu, il se désintègre en un électron et deux neutrinos.

Ce qui est étrange, c'est que si vous tendez votre main parallèlement à la Terre, un muon sur deux le traversera. Ces muons naissent dans la partie supérieure de l'atmosphère, dans laquelle des particules de haute énergie, également appelées rayons cosmiques, s'écrasent constamment. Ce sont principalement des protons, mais de très hautes énergies: ils se brisent tellement sur les atomes que cela provoque de grandes averses de particules dans l'air - l'apparition de paires matière / antimatière, ainsi que de lourdes particules instables comme les pions, qui peuvent également se désintégrer (par exemple, dans les mêmes muons). )

Cela ne devrait pas vous surprendre: si vous avez entendu parler de E = mc ² , vous comprenez qu'il est possible de créer spontanément de nouvelles particules en entrant en collision deux particules avec des vitesses suffisamment élevées. Nous calculons: même si les particules se déplacent à presque la vitesse de la lumière, 300 000 km / s et vivent 2,2 microsecondes, elles ne doivent pas parcourir plus de 660 mètres avant de se décomposer.

Cependant, je parle du fait que ces particules sont créées dans la partie supérieure de l'atmosphère, à environ 100 km de la Terre, soit 100 000 mètres! De notre point de vue, le muon ne doit pas voler au sol. Cependant, Einstein enregistre tout - plus les objets se rapprochent de la vitesse de la lumière, plus leurs horloges sont lentes.

De notre point de vue, un muon se déplaçant à 99,9995% de la vitesse de la lumière connaîtra un flux de temps ralenti de 1000 fois par rapport à un muon au repos. Ainsi, au lieu d'un parcours de 660 mètres, il peut parcourir 660 kilomètres avant de se désintégrer. Cette différence pour les muons avec une durée de vie moyenne de 2,2 μs signifie qu'au lieu d'une chance sur 10 ^{66 ils} vous atteignent (ils auraient une telle chance sans aucune dilatation temporelle), ils ont 86% de chances de le faire.

Et à quoi cela ressemblerait-il du côté du muon? De son point de vue, le temps s'écoule normalement, il est apparu dans la haute atmosphère et est descendu sur terre. Mais «au sol» pour lui ne signifie pas du tout la même chose que pour nous!

Le muon sent que son temps s'écoule normalement, mais le monde entier se dirige vers lui à une vitesse de 99,9995% de la lumière. En plus de ralentir le temps, le muon voit les effets du raccourcissement de la longueur, c'est-à-dire que la distance de 100 km dont il a besoin pour parcourir lui semble 1000 fois plus petite, soit 100 mètres. Et il a 86% de chances d'atteindre la terre avant qu'elle ne se décompose, même si vous comptez de son point de vue.

La conscience de tout cela nous conduit à la tentation: si, en accélérant le muon presque à la vitesse de la lumière, nous allongons sa durée de vie, peut-être pourrons-nous l'utiliser pour créer l'accélérateur de particules idéal!

Habituellement, dans les accélérateurs / collisionneurs, nous utilisons une particule (ou antiparticule) stable, comme un électron, un positron, un proton, un antiproton. En utilisant un champ électrique, nous accélérons une particule, et avec un champ magnétique, nous courbons son chemin. L'anneau est d'une grande importance, car le même «chemin» peut être utilisé à plusieurs reprises, accélérant la particule à des énergies toujours plus élevées et à des vitesses différentes de la lumière bien inférieures à un kilomètre par seconde.

Mais il y a un problème. Nous souhaitons atteindre les mêmes énergies que celles disponibles au LHC, chez les collisionneurs électron-positon. Lorsque deux protons entrent en collision dans le LHC, l'énergie de collision est répartie non seulement entre les trois quarks de chaque proton, mais également entre tous les gluons situés à l'intérieur. Non seulement vous perdez presque toute l'énergie que vous avez si difficile à gagner, mais vous obtenez également beaucoup de «déchets», car tous ces quarks avec des gluons créent un chaos complet dans le détecteur.

Mais sur les collisionneurs électron-positon, il est physiquement impossible d'atteindre les mêmes énergies que sur les protons. Le même tunnel de 27 km de long qui fonctionne maintenant dans le LHC était auparavant utilisé dans le Grand collisionneur électron-positon. Mais alors que des énergies de 13 TeV, ou 13 000 000 000 000 eV, pourraient être atteintes sur le LHC, 114 GeV, ou 114 000 000 000 eV, pourraient l'être sur le BEC. Où est la différence cent fois? Non pas à cause de la taille de l'anneau (ils sont identiques), pas à cause de la force des aimants (s'il y avait eu des aimants d'aujourd'hui dans le passé, rien n'aurait changé), mais parce que les particules chargées accélèrent, se courbant dans un champ magnétique, et émettre.

Cet effet est connu sous le nom de rayonnement synchrotron, et il fait perdre aux particules chargées de l'énergie en proportion inverse de la quatrième puissance de la masse. Cela signifie qu'un électron pesant 1836 fois moins qu'un proton perd de l'énergie 10 ¹³ fois plus vite! Dommage, car si nous pouvions heurter des électrons et des positrons aux mêmes énergies que les hadrons, nous pourrions mesurer plus précisément les énergies plus élevées des centres de masse et obtenir de meilleures données dans le détecteur.

Mais si nous pouvions profiter de la dilatation du temps dans les muons, nous pourrions construire un collisionneur de muons, puisque 206 fois plus que celui d'un électron, le poids nous permettra de perdre deux milliards de fois moins d'énergie que l'électron ne perd après chaque passage dans l'anneau.

Bien qu'il y ait des obstacles qui doivent être surmontés pour construire le collisionneur de muons, mais si nous pouvons amener les muons (et les antimuons) dans un faisceau parallèle et les faire passer dans l'anneau d'accélérateur avec une vitesse initiale suffisante, nous pouvons les accélérer à 99,999% de la vitesse de la lumière, les pousser et les ouvrir des faits encore plus étonnants sur l'Univers - y compris la physique de haute précision et la désintégration de particules telles que le boson de Higgs et le quark supérieur.

Une conférence de travail de printemps sur le programme de création d'un accélérateur de muons au Fermilab vient de s'achever (mai 2015). En haut, vous voyez le prototype du module radio MICE 201 MHz accélérant les muons de 11 MeV par mètre de longueur, tout en réduisant la vitesse latérale, ce qui est nécessaire pour maintenir le parallélisme du faisceau. Cette technique est connue sous le nom de refroidissement par ionisation, d'où l'abréviation: Muon Ionization Cooling Experiment, MICE.

Concept de collisionneur de muons

C'était autrefois un rêve de pipe, et les critiques ont fait valoir que la durée de vie du muon sera toujours trop limitée. Maintenant, l'accélérateur de muons pourrait bien devenir l'accélérateur même qui ouvrira de nouvelles frontières de l'Univers, dépassant les capacités du LHC. Et la même physique - la physique du STR, de l'allongement du temps et du raccourcissement de la longueur - permettant aux muons spatiaux d'atteindre la surface de la Terre, rendra possible un nouvel accélérateur! (Diapositives du rapport du lauréat du prix Nobel Carlo Rubbia sur le projet de création d'une "usine Higgs" à base de muons).

Merci pour la merveilleuse question et l'excuse d'explorer les horizons incroyables qui nous permettront un jour de passer de la science-fiction à la réalité. Envoyez-moi vos questions et suggestions pour les articles suivants.

Demandez à Ethan n ° 90: Muons, relativité et un nouveau record

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