🎅🏼 ↩️ ❓ Pergunte a Ethan nº 90: múons, relatividade e um novo recorde 🍌 ✡️ 💍

Como um dos primeiros testes da teoria especial da relatividade, pode levar à criação do maior acelerador de partículas de todos os tempos.

Parece que o passado permanece como o deixamos, e o presente está em constante movimento; envolve você com instabilidade.
- Tom Stoppard

Cada fenômeno natural que observamos em todo o universo consiste das mesmas partículas: prótons, nêutrons e elétrons, juntamente com fótons. Pelo menos, geralmente se pensa assim, mas com eles participam uma enorme quantidade de neutrinos, antineutrinos, uma quantidade supermassiva de matéria escura, bem como um conjunto de partículas instáveis de alta energia. Um deles, o múon, tornou-se objeto de uma pergunta muito interessante do usuário do MegaN00B:

Recentemente, você mencionou em seu blog que os raios cósmicos, ao entrar na atmosfera, produzem partículas (me parece, múons) e como a relatividade ajuda os múons a ir além eles poderiam, porque precisam decair antes de chegarem à superfície.
E como seria esse caminho do ponto de vista do múon?

Vamos começar de novo e falar sobre múons.

Quase tudo o que sabemos - átomos, moléculas, planetas, estrelas, nebulosas, galáxias - é criado a partir de várias partículas fundamentais conhecidas: fótons, elétrons, glúons, bem como quarks que compõem prótons e nêutrons. Existem também neutrinos e antineutrinos que raramente interagem com a matéria, bem como a matéria escura, cuja presença só conhecemos pela gravidade. Tudo o mais que pode ser criado, todas as outras partículas fundamentais são terrivelmente instáveis, ou seja, elas se deterioram ao longo do tempo em algo mais fácil e mais estável.

De todas essas partículas instáveis, o múon é o mais próximo das estáveis, uma vez que vive uma vida "longa" com uma duração média de 2,2 microssegundos, que é uma ordem de magnitude maior que o resto. Muon - como se o primo do elétron, apenas mais pesado, mas tivesse as mesmas propriedades:
• número de lepton,
• carga elétrica,
• rotação,
• momento magnético,

exceto que é 206 vezes mais pesado, e depois que seu destino quântico é resolvido, ele se decompõe em um elétron e dois neutrinos.

O estranho é que, se você estender sua mão paralela à Terra, cada segundo múon passará por ela. Esses múons nascem na parte superior da atmosfera, na qual partículas de alta energia, também conhecidas como raios cósmicos, colidem constantemente. Estes são principalmente prótons, mas com energias muito altas: colidem com átomos de maneira que causam extensos chuveiros de partículas - a aparência de pares matéria / antimatéria, além de partículas instáveis pesadas, como pions, que também podem se decompor (por exemplo, nos mesmos múons) )

Isso não deve surpreendê-lo: se você ouviu falar de E = mc ² , entende que é possível criar espontaneamente novas partículas colidindo duas partículas com velocidades suficientemente altas. Calculamos: mesmo que as partículas se movam quase à velocidade da luz, 300.000 km / se vivem 2,2 microssegundos, elas devem viajar não mais que 660 metros antes de decair.

No entanto, estou falando do fato de que essas partículas são criadas na parte superior da atmosfera, a cerca de 100 km da Terra, ou 100.000 metros! Do nosso ponto de vista, o múon não deve voar para o chão. No entanto, Einstein salva tudo - quanto mais os objetos se aproximam da velocidade da luz, mais lentos ficam os relógios.

Do nosso ponto de vista, um múon movendo-se a 99,9995% da velocidade da luz experimentará um fluxo de tempo abrandado 1000 vezes em comparação com um múon em repouso. Então, em vez de um caminho de 660 metros, ele pode voar 660 quilômetros antes de decair. Essa diferença para múons com uma vida útil média de 2,2 μs significa que, em vez de uma chance em ^{1066, eles} chegam até você (eles teriam essa chance sem qualquer dilatação de tempo) e têm 86% de chance de fazer isso.

E como ficaria do lado do múon? Do seu ponto de vista, o tempo flui normalmente, ele apareceu na atmosfera superior e desceu à terra. Mas "para o chão" para ele não significa o mesmo que para nós!

O múon sente que seu tempo está fluindo normalmente, mas o mundo inteiro está se movendo em sua direção a uma velocidade de 99,9995% da luz. Além de diminuir o tempo, o múon vê os efeitos de encurtar o comprimento, ou seja, a distância de 100 km que ele precisa percorrer lhe parece 1000 vezes menor, ou seja, 100 metros. E ele tem 86% de chance de alcançar a Terra antes que ela decaia, mesmo se você contar do ponto de vista dele.

A consciência de tudo isso nos leva à tentação: se, ao acelerar o múon quase à velocidade da luz, prolongarmos sua vida útil, talvez possamos usá-lo para criar o acelerador de partículas ideal!

Geralmente em aceleradores / colisadores, usamos uma partícula estável (ou antipartícula), como elétrons, pósitrons, prótons e antiprótons. Usando um campo elétrico, aceleramos uma partícula e, com um campo magnético, dobramos seu caminho. O anel é de grande importância, uma vez que o mesmo "caminho" pode ser usado repetidamente, acelerando uma partícula para energias cada vez mais altas e para velocidades diferentes da luz muito menos que um quilômetro por segundo.

Mas há um problema. Gostaríamos de obter as mesmas energias disponíveis no LHC, nos coletores de elétrons-pósitrons. Quando dois prótons colidem no LHC, a energia de colisão é distribuída não apenas entre os três quarks em cada próton, mas também entre todos os glúons no fundo. Você não apenas perde quase toda a energia que tem tanto esforço para ganhar, mas também recebe um monte de "lixo", porque todos esses quarks com glúons criam um caos completo no detector.

Mas nos coletores de elétrons-pósitrons é fisicamente impossível obter as mesmas energias que nos de prótons. O mesmo túnel de 27 km de comprimento que agora funciona no LHC foi usado anteriormente no colisor de elétrons e pósitrons grandes. Porém, embora energias de 13 TeV, ou 13.000.000.000.000 eV, possam ser alcançadas no LHC, energias de 114 GeV ou 114.000.000.000 eV podem ser alcançadas no BEC. Onde está a diferença cem vezes? Não por causa do tamanho do anel (eles são idênticos), não por causa da força dos ímãs (se houvesse ímãs de hoje no passado, nada teria mudado), mas porque as partículas carregadas aceleram, dobrando seu caminho em um campo magnético, e emitir.

Esse efeito é conhecido como radiação síncrotron e faz com que as partículas carregadas percam energia em proporção inversa à quarta potência da massa. Isso significa que um elétron pesando 1836 vezes menos que um próton perde energia 10 ¹³ vezes mais rápido! É uma pena, porque se pudéssemos colidir elétrons e pósitrons com as mesmas energias que os hádrons, poderíamos medir com mais precisão as energias mais altas dos centros de massa e obter melhores dados no detector.

Mas se pudéssemos tirar vantagem da dilatação do tempo nos múons, poderíamos construir um colisor de múons, já que 206 vezes mais do que um elétron, o peso nos permitirá perder dois bilhões de vezes menos energia do que o elétron perde após cada passagem pelo anel.

Embora existam obstáculos que precisam ser superados para construir o colisor de múons, mas se pudermos trazer os múons (e antimuons) para um feixe paralelo e executá-los no anel do acelerador com uma velocidade inicial suficiente, podemos acelerá-los para 99,999% da velocidade da luz, empurrá-los e abrir fatos ainda mais surpreendentes sobre o universo - incluindo física de alta precisão e decomposição de partículas como o bóson de Higgs e o quark superior.

A conferência da primavera de trabalho sobre o programa para criar um acelerador de múons no Fermilab acaba de terminar (maio de 2015). No topo, você vê o protótipo do módulo de rádio MICE de 201 MHz, acelerando os múons em 11 MeV por metro de comprimento, além de reduzir a velocidade lateral, necessária para manter o paralelismo do feixe. Esta técnica é conhecida como resfriamento por ionização, daí a abreviação: Muon Ionization Cooling Experiment, MICE.

Conceito de colisor de Muon

Isso já foi um sonho, e os críticos argumentaram que a vida do múon sempre será uma limitação demais. Agora, o acelerador de múons pode muito bem se tornar o próprio acelerador que abrirá novas fronteiras do Universo, indo além das capacidades do LHC. E a mesma física - a física do STR, do alongamento do tempo e do alongamento - permitindo que os múons espaciais alcancem a superfície da Terra, tornará possível um novo acelerador! (Slides do relatório do ganhador do Nobel Carlo Rubbia sobre o projeto de criação de uma "fábrica de Higgs" baseada em múons).

Obrigado pela maravilhosa pergunta e a desculpa para explorar os horizontes surpreendentes que um dia nos permitirão dar o salto da ficção científica para a realidade. Envie-me suas perguntas e sugestões para os seguintes artigos.

Pergunte a Ethan nº 90: múons, relatividade e um novo recorde

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