Японская исследовательская группа ускорила мюоны до 0,3 МэВ, приблизившись к созданию единственного в мире ускорителя мюонов

Исследовательская группа, в состав которой входят Центр J-PARC, Организация по исследованию ускорителей высокой энергии (KEK), Токийский университет, Национальная организация университетов Токая, Университет Нагои и Институт физико-химических исследований (RIKEN), недавно завершила эксперименты по охлаждению и высокочастотному ускорению мюонов на новой экспериментальной площадке ускорителя мюонов в комплексе материаловедения и наук о жизни J-PARC, успешно разогнав мюоны до кинетической энергии 0,3 МэВ, что составляет около 8% скорости света.

Концептуальная схема охлаждения и ускорения пучка положительных мюонов. Путём охлаждения положительных мюонов с неоднородными направлением и скоростью можно добиться эффективного высокочастотного ускорения

Мюон — это элементарная частица, подобная электрону, которая может быть искусственно получена с помощью ускорителей и широко используется в материаловедении, исследованиях физики частиц, а также в области визуализации крупных конструкций. Однако пучки мюонов, генерируемые обычными ускорителями, неоднородны по направлению и скорости, что затрудняет их непосредственное использование на последующих этапах ускорения. Поэтому ключевой технической задачей в соответствующих исследованиях является сначала охлаждение мюонов, а затем обеспечение их стабильного ускорения.

Эксперимент проводился на новой специализированной линии мюонного пучка H в экспериментальной зоне MLF. Исследовательская группа сначала охладила мюоны с кинетической энергией около 4 МэВ, приведя их в состояние, более подходящее для высокочастотного ускорения, а затем с помощью высокочастотного ускоряющего резонатора разогнала их до 0,3 МэВ. По сравнению с первой в мире демонстрацией охлаждения и ускорения мюонов, проведённой группой в 2024 году, в данном эксперименте энергия ускорения была увеличена примерно в 3 раза, а интенсивность пучка — примерно в 200 раз, достигнув около 10 мюонов в секунду.

Исследовательская группа отмечает, что этот результат означает переход исследований по ускорению мюонов от стадии технической «демонстрации» к стадии «реализации», способной генерировать экспериментально пригодные мюонные пучки, и является важным шагом в создании и эксплуатации единственного в мире ускорителя мюонов.

Согласно последующим планам, исследовательская группа ставит целью к 2027–2028 годам ускорить мюоны до 4 МэВ, что составляет около 30% скорости света, для создания ключевых технологий, связанных с искусственными и портативными мюонными пучками. В более долгосрочной перспективе группа надеется ускорить мюоны до энергии свыше 200 МэВ для проведения сверхточных измерений, таких как g-2 мюона и электрический дипольный момент, а также продвигать прикладные исследования трансмиссионной мюонной микроскопии в области материаловедения и инженерии.