شلیک لیزر و تولد موئون؛ فیزیکدانها مرزهای علم را جابهجا کردند!
زهرا وجدانی: در دنیای فیزیک ذرات موئونها به عنوان ذرات بنیادی ناپایدار، اما بسیار ارزشمند شناخته میشوند که میتوانند درک ما را از ساختار ماده و قوانین بنیادی طبیعت عمیقتر کنند. با این حال، تولید این ذرات در محیط آزمایشگاهی تاکنون نیازمند تجهیزاتی بسیار بزرگ و پرهزینه همچون شتابدهندههای پروتونی بوده است.
اکنون تیمی از پژوهشگران با بهرهگیری از فناوری لیزرهای پرتوان و فوقکوتاه، راهکاری نوین برای تولید موئون در آزمایشگاه ارائه کردهاند که میتواند نقطه عطفی در گسترش تحقیقات فیزیک ذرات باشد. این روش میتواند مسیر پژوهشهای موئونمحور را برای آزمایشگاههای کوچکتر و کمهزینهتر نیز هموار سازد.
روشی نوین برای تولید موئونها با لیزرهای بسیار کوتاه
موئونها ذرات بنیادیای هستند که شباهت زیادی به الکترونها دارند، اما سنگینترند و عمر بسیار کوتاهی دارند، به طوری که در چند میکروثانیه فرو میپاشند. مطالعه موئونها به دانشمندان کمک میکند تا مدل استاندارد فیزیک ذرات را آزمایش و اصلاح کنند و همچنین امکان کشف پدیدهها یا اثرات جدید را فراهم میآورد.
محدودیتهای روشهای پیشین تولید موئون
تا کنون تولید موئون در آزمایشگاهها عمدتاً با استفاده از شتابدهندههای پروتون انجام میشد که ابزاری بزرگ و پرهزینه است. موئونها همچنین از پرتوهای کیهانی، ذرات پرانرژی که از فضا به زمین میرسند، حاصل میشوند، اما جریان این ذرات بسیار پایین است و استفاده از آنها محدودیت دارد.
رویکرد جدید با استفاده از لیزرهای بسیار کوتاه و پرتوان
محققان موسسه آکادمی مهندسی فیزیک چین (CAEP) آزمایشگاه گوانگدونگ، آکادمی علوم چین (CAS) و سایر موسسات اخیراً روشی جدید برای تولید موئونها با استفاده از لیزرهای بسیار کوتاه و پرتوان ارائه دادهاند.
در این روش که در مقالهای در مجله Nature Physics منتشر شده است، با استفاده از فناوری شتابدهی الکترون به کمک موج بیداری لیزری (LWFA) و لیزرهای بسیار کوتاه، به بهرهوری بالایی در تولید موئونها دست یافتهاند؛ به طوری که به ازای هر الکترون ورودی، تا ۰.۰۱ موئون تولید شده است.
فناوری کلیدی: شتابدهی الکترون با پالسهای لیزری فشرده شده
یوکیو گو در مصاحبهای با Phys.org بیان میکند: «موئونها در تحقیقات پایه و کاربردی اهمیت فراوانی دارند. معمولاً موئونها از پرتوهای کیهانی یا شتابدهندههای پروتون تامین میشوند؛ اما پرتوهای کیهانی جریان بسیار کمی دارند و شتابدهندههای پروتون بسیار پرهزینه و محدود به امکانات خاص هستند.»
وی میافزاید: «با پیشرفت سریع فناوری تقویت پالس لیزری (CPA) و شتابدهی موج بیداری لیزری، الکترونها میتوانند در چند سانتیمتر به انرژی گیگاالکترونولت برسند.»
چالشهای شناسایی موئونها و راهکارهای نوآورانه
فرآیند تولید موئونها در این روش بسیار پیچیده است و همراه با تولید تابشهای ثانویه متعددی مانند پرتو گاما، نوترونها و الکترونها است. به همین دلیل شناسایی موئونها با روشهای معمولی مانند طیفسنج مغناطیسی دشوار است و این دستگاهها اغلب تحت تاثیر تابشهای ثانویه قرار میگیرند. محققان برای حل این مشکل، روشی جایگزین ابداع کردند که بر اساس اندازهگیری طول عمر فروپاشی موئونها در حالت استراحت استوار است. موئونها عمر منحصربهفرد ۲.۲ میکروثانیهای دارند که امکان تمایز آنها از سایر ذرات را فراهم میکند.
آزمایشهای اولیه این تیم نتایج بسیار امیدوارکنندهای به همراه داشت. آنها توانستند طیف زمانی فروپاشی ذرات تولید شده را به وضوح ثبت کنند که با طول عمر شناخته شده موئونها مطابقت داشت و بدین ترتیب وجود موئونها اثبات شد.
گو میگوید: «ما برای نخستین بار منبع موئون را روی یک پلتفرم جدید در آزمایشگاه لیزری ایجاد کردیم و به بهرهوری ۰.۰۱ موئون به ازای هر الکترون دست یافتیم.» او همچنین افزود که با شرایط کنونی، انتظار میرود تعداد موئونهای تولیدی به ۱۰۳ موئون در ثانیه برسد.
باز شدن درهای جدید برای تحقیقات موئون در آزمایشگاههای کوچک
این منبع جدید موئون، امکان انجام تحقیقات مرتبط با موئون مانند تصویربرداری با موئونهای پرانرژی، طیفسنجی اسپین موئون (μSR) و ترکیب نوترونی موئون (MIXE) را در آزمایشگاههای کوچک با استفاده از فناوری لیزری فراهم میکند و بدین ترتیب آستانه ورود به این حوزه را به شدت کاهش میدهد.
محققان برنامه دارند تا به مطالعه عمیقتری روی طیف انرژی و توزیع زاویهای این منبع موئون بپردازند و سپس تحقیقات مختلفی همچون تصویربرداری نقطهای با موئون، شتابدهی تماماً اپتیکی موئون و برانگیختگی هستهای موئون را انجام دهند.
پژوهش جدید محققان چینی، نه تنها راهی کمهزینه و عملی برای تولید موئونها فراهم کرده، بلکه با تأیید موفقیتآمیز آن در شرایط آزمایشگاهی، افقهای نوینی در حوزههایی همچون تصویربرداری با موئون، شتابدهی اپتیکی و بررسی برهمکنشهای هستهای باز میکند. با گسترش این فناوری، امکان انجام تحقیقات پیشرفته در مراکز تحقیقاتی کوچکتر فراهم میشود و شاید در آیندهای نهچندان دور، کاربردهای گستردهتری از موئونها در فناوری، پزشکی و صنعت نیز شاهد باشیم.
انتهای پیام/
