🈹 🥑 🥀 Tanyakan Ethan No. 90: Muon, Relativitas, dan Rekor Baru 👩‍❤️‍💋‍👨 🛡️ ✍🏻

Sebagai salah satu tes pertama dari teori relativitas khusus, ini dapat mengarah pada penciptaan akselerator partikel terbesar sepanjang masa.

Tampaknya masa lalu tetap seperti yang kita tinggalkan, dan sekarang terus bergerak; itu mengelilingi Anda dengan ketidakstabilan.
- Tom Stoppard

Setiap fenomena alam yang kami amati di seluruh alam semesta terdiri dari partikel yang sama: proton, neutron dan elektron, bersama dengan foton. Setidaknya, biasanya dianggap demikian, tetapi dengan mereka sejumlah besar neutrino, antineutrino, sejumlah besar materi gelap supermasif, serta seperangkat partikel berenergi tinggi yang tidak stabil berpartisipasi dalam kasus ini. Salah satunya, muon, menjadi subjek pertanyaan yang sangat menarik dari pengguna MegaN00B:

Baru-baru ini Anda menyebutkan di blog Anda bahwa sinar kosmik, ketika memasuki atmosfer, menghasilkan partikel (menurut saya, muon), dan bagaimana relativitas membantu muon untuk melangkah lebih jauh daripada mereka bisa, karena mereka harus membusuk sebelum mencapai permukaan.
Dan seperti apa jalan ini dari sudut pandang muon?

Mari kita mulai dan memberi tahu Anda tentang muon.

Hampir semua yang kita ketahui - atom, molekul, planet, bintang, nebula, galaksi - diciptakan dari beberapa partikel fundamental terkenal: foton, elektron, gluon, serta quark yang membentuk proton dan neutron. Ada juga neutrino dan antineutrino yang jarang berinteraksi dengan materi, serta materi gelap, yang kehadirannya hanya kita ketahui melalui gravitasi. Semua hal lain yang dapat dibuat, semua partikel fundamental lainnya sangat tidak stabil, yaitu, mereka membusuk seiring waktu menjadi sesuatu yang lebih mudah dan lebih stabil.

Dari semua partikel tidak stabil ini, muon paling dekat dengan yang stabil, karena ia hidup "panjang" dengan panjang rata-rata 2,2 mikrodetik, yang urutan besarnya lebih lama dari yang lain. Muon - seolah-olah sepupu elektron, hanya lebih berat, tetapi memiliki sifat yang sama:
• bilangan lepton,
• muatan listrik,
• putaran,
• momen magnetik,

kecuali bahwa itu 206 kali lebih berat, dan setelah nasib kuantumnya dipecahkan, ia meluruh menjadi elektron dan dua neutrino.

Yang aneh adalah bahwa jika Anda mengulurkan tangan Anda sejajar dengan Bumi, setiap detik muon akan melewatinya. Muon ini dilahirkan di bagian atas atmosfer, tempat partikel berenergi tinggi, yang juga dikenal sebagai sinar kosmik, terus-menerus jatuh. Ini terutama proton, tetapi energi yang sangat tinggi: mereka menabrak atom begitu banyak sehingga menyebabkan hujan udara besar partikel - munculnya pasangan materi / antimateri, serta partikel berat yang tidak stabil seperti pion, yang juga dapat membusuk (misalnya, ke dalam muon yang sama). )

Ini seharusnya tidak mengejutkan Anda: jika Anda mendengar tentang E = mc ² , Anda memahami bahwa adalah mungkin untuk menciptakan partikel baru secara spontan dengan menabrakkan dua partikel bersamaan dengan kecepatan yang cukup tinggi. Kami menghitung: bahkan jika partikel bergerak pada kecepatan cahaya hampir, 300.000 km / s, dan hidup 2,2 mikrodetik, mereka harus berjalan tidak lebih dari 660 meter sebelum membusuk.

Namun, saya berbicara tentang fakta bahwa partikel-partikel ini dibuat di bagian atas atmosfer, sekitar 100 km dari Bumi, atau 100.000 meter! Dari sudut pandang kami, muon tidak boleh terbang ke tanah. Namun, Einstein menyimpan segalanya - semakin dekat objek bergerak dengan kecepatan cahaya, semakin lambat jam mereka pergi.

Dari sudut pandang kami, muon yang bergerak pada 99,9995% dari kecepatan cahaya akan mengalami aliran waktu melambat 1000 kali dibandingkan dengan muon yang beristirahat. Jadi, alih-alih jalur sepanjang 660 meter, ia bisa terbang 660 kilometer sebelum meluruh. Perbedaan ini untuk muon dengan masa hidup rata-rata 2,2 μs berarti bahwa alih-alih satu peluang dari 10 ^{66 mereka} mencapai Anda (mereka akan memiliki kesempatan seperti itu tanpa pelebaran waktu), mereka mendapatkan 86% peluang untuk melakukannya.

Dan bagaimana tampilannya dari sisi muon? Dari sudut pandangnya, waktu mengalir secara normal, ia muncul di atmosfer atas dan turun ke bumi. Tapi "ke tanah" baginya sama sekali tidak sama dengan bagi kita!

Muon merasa bahwa waktunya mengalir dengan normal, tetapi seluruh dunia bergerak ke arahnya dengan kecepatan 99,9995% dari cahaya. Selain memperlambat waktu, muon melihat efek memperpendek panjang, yaitu, jarak 100 km yang dia butuhkan untuk bepergian sepertinya 1000 kali lebih kecil, yaitu, seperti 100 meter. Dan dia memiliki peluang 86% untuk mencapai bumi sebelum meluruh, bahkan jika Anda menghitung dari sudut pandangnya.

Kesadaran akan semua ini menuntun kita pada godaan: jika, dengan mempercepat muon mendekati kecepatan cahaya, kita memperpanjang waktu hidupnya, mungkin kita bisa menggunakan ini untuk membuat akselerator partikel yang ideal!

Biasanya dalam akselerator / penumbuk kita menggunakan partikel stabil (atau antipartikel), seperti elektron, positron, proton, antiproton. Menggunakan medan listrik, kita mempercepat partikel, dan dengan medan magnet kita membelokkan jalurnya. Cincin itu sangat penting, karena "jalur" yang sama dapat digunakan berulang kali, mempercepat partikel menjadi energi yang lebih tinggi dan untuk kecepatan yang berbeda dari cahaya, kurang dari satu kilometer per detik.

Tapi ada masalah. Kami ingin mencapai energi yang sama yang tersedia di LHC, di colliders elektron-positron. Ketika dua proton bertabrakan di LHC, energi tabrakan didistribusikan tidak hanya antara ketiga quark di setiap proton, tetapi juga di antara semua gluon jauh di dalam. Anda tidak hanya kehilangan hampir semua energi yang Anda miliki sehingga sulit didapat, Anda juga mendapatkan banyak "sampah", karena semua quark dengan gluon ini menciptakan kekacauan total pada detektor.

Tetapi pada penumbukan elektron-positron secara fisik tidak mungkin untuk mencapai energi yang sama seperti pada yang proton. Terowongan sepanjang 27 km yang sama yang sekarang berfungsi di LHC sebelumnya digunakan dalam Large Electron-Positron Collider. Tetapi sementara energi 13 TeV, atau 13.000.000.000 eV, dapat dicapai pada LHC, 114 GeV, atau 114.000.000.000 eV, dapat dicapai pada BEC. Di mana perbedaannya seratus kali? Bukan karena ukuran cincin (mereka identik), bukan karena kekuatan magnet (jika ada magnet hari ini di masa lalu, tidak ada yang akan berubah), tetapi karena partikel bermuatan mempercepat, membengkokkan jalur mereka dalam medan magnet, dan memancarkan.

Efek ini dikenal sebagai radiasi synchrotron, dan menyebabkan partikel bermuatan kehilangan energi dalam proporsi terbalik dengan kekuatan keempat massa. Ini berarti bahwa elektron dengan berat 1836 kali lebih kecil dari proton kehilangan energi 10 ¹³ kali lebih cepat! Sangat disayangkan, karena jika kita dapat bertabrakan elektron dan positron pada energi yang sama dengan hadron, kita dapat lebih akurat mengukur energi lebih tinggi dari pusat massa dan mendapatkan data yang lebih baik di detektor.

Tetapi jika kita dapat mengambil keuntungan dari pelebaran waktu dalam muon, kita dapat membangun collider muon, karena 206 kali lebih banyak daripada elektron, beratnya akan memungkinkan kita kehilangan dua miliar kali lebih sedikit energi daripada elektron yang hilang setelah setiap bagian melalui cincin.

Meskipun ada kendala yang perlu diatasi untuk membangun collider muon, tetapi jika kita dapat membawa muon (dan antimuon) ke dalam balok paralel dan menaruhnya ke dalam cincin akselerator dengan kecepatan awal yang cukup, kita dapat mempercepatnya hingga 99,999% dari kecepatan cahaya, mendorongnya dan membuka bahkan lebih banyak fakta menakjubkan tentang alam semesta - termasuk fisika presisi tinggi dan peluruhan partikel seperti boson Higgs dan kuark atas.

Sebuah konferensi musim semi yang bekerja tentang program untuk membuat akselerator muon di Fermilab baru saja berakhir (Mei 2015). Di atas Anda melihat prototipe modul radio MICE 201 MHz yang mempercepat muon dengan panjang 11 MeV per meter, sementara secara bersamaan mengurangi kecepatan lateral, yang diperlukan untuk menjaga paralelisme balok. Teknik ini dikenal sebagai pendinginan ionisasi, maka singkatan: Muon Ionization Cooling Experiment, MICE.

Konsep collider muon

Ini dulunya mimpi pipa, dan kritikus berpendapat bahwa masa hidup muon akan selalu terlalu banyak batasan. Sekarang, akselerator muon mungkin menjadi akselerator yang akan membuka batas-batas baru Semesta, melampaui kemampuan LHC. Dan fisika yang sama - fisika STR, waktu memanjang dan memendeknya panjang - memungkinkan ruang angkasa untuk mencapai permukaan bumi, akan memungkinkan akselerator baru! (Slide dari laporan peraih Nobel Carlo Rubbia tentang proyek menciptakan "pabrik Higgs" berdasarkan muon).

Terima kasih atas pertanyaan yang indah dan alasan untuk menjelajahi cakrawala yang menakjubkan yang suatu hari nanti akan memungkinkan kita untuk membuat lompatan dari fiksi ilmiah ke kenyataan. Kirimkan saya pertanyaan dan saran Anda untuk artikel berikut.

Tanyakan Ethan No. 90: Muon, Relativitas, dan Rekor Baru

More articles: