Pergunte ao Ethan nº 90: Múons, relatividade e um novo recorde?
Crédito da imagem: Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN).
Como um dos primeiros testes de relatividade especial pode levar ao maior acelerador de partículas de todos os tempos.
Sente-se que o passado permanece do jeito que você o deixou, enquanto o presente está em constante movimento; é instável ao seu redor. – Tom Stoppard
Todas as coisas que ocorrem naturalmente que já observamos em todo o Universo são feitas das mesmas poucas partículas: prótons, nêutrons e elétrons, juntamente com fótons. Pelo menos, é o que você pode pensar comumente, mas misturado com isso há um grande número de neutrinos e antineutrinos, uma quantidade supermassiva de matéria escura, bem como – a qualquer momento – uma enorme quantidade de partículas instáveis de alta energia. Um deles, o múon, foi o tema do pergunta mais interessante que vi enviada para o Ask Ethan desta semana, cortesia de alguém que apenas atende pelo apelido MegaN00B:
Recentemente, em um de seus blogs, você mencionou que um raio cósmico atingiria a atmosfera, criaria partículas (acho que um múon) e como a relatividade permitiria que o múon viajasse mais longe do que seria capaz, já que decairia antes dele. atingiria nossa superfície, mesmo que devesse ter decaído antes que essa distância fosse [atravessada].
Como o múon ‘veria’ essa viagem?
Vamos ao começo aqui, e contaremos tudo sobre o múon para começar.
Crédito da imagem: Projeto de Educação Física Contemporânea (CPEP), Departamento de Energia dos EUA / NSF / LBNL.
Quase tudo que conhecemos – todos os átomos, moléculas, planetas, estrelas, nebulosas e galáxias – são feitos de apenas algumas das partículas fundamentais conhecidas: fótons, elétrons, glúons e quarks up-and-down que compõem os prótons e os nêutrons. Existem neutrinos e antineutrinos que raramente interagem, assim como a matéria escura cuja presença só é conhecida gravitacionalmente. Tudo o mais que pode ser feito, todas as outras partículas fundamentais que existem, são todas intrinsecamente instáveis, o que significa que decairão em algo mais leve e estável ao longo do tempo.
De todas as partículas instáveis, o múon é o mais próximo de ser realmente estável, vivendo em média 2,2 microssegundos, ordens de magnitude a mais do que qualquer outra partícula. É uma espécie de primo pesado do elétron, tendo todas as mesmas propriedades:
- número lépton,
- carga elétrica,
- rodar,
- momento magnético,
exceto pelo fato de que é cerca de 206 vezes mais pesado, e que depois que seu destino quântico é decidido, ele decai em um elétron (e dois neutrinos).
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons DnetSvgGenericName .
O estranho - ou o que pode parecer estranho - é que, se você estender a mão paralelamente à superfície da Terra, cerca de um múon passa por ela a cada segundo. Esses múons, como MegaN00B alude, originam-se no topo da atmosfera, onde partículas de alta energia conhecidas como raios cósmicos greve o tempo todo. Esses raios cósmicos são principalmente prótons, mas chegam a energias tremendamente altas: energias altas o suficiente para que, quando atingem os átomos na atmosfera superior, produzam espontaneamente chuvas de partículas, o que significa que criam pares matéria-antimatéria, bem como partículas pesadas e instáveis. (como píons) que podem então decair (em, por exemplo, múons).
Crédito da imagem: Observatório Pierre Auger, via http://apcauger.in2p3.fr/Public/Presentation/ .
Isso não deve surpreendê-lo: se você já ouviu falar de E = mc^2, então você entende que pode criar espontaneamente novas partículas de matéria simplesmente batendo duas partículas em velocidades suficientemente altas. Mas vamos fazer as contas: mesmo que essas partículas estejam se movendo quase à velocidade da luz – 300.000 km/s – e vivam por 2,2 microssegundos, elas só devem poder viajar cerca de 660 metros antes de decair.
No entanto, eu lhes disse que essas partículas são criadas no topo da atmosfera, o que é um pouco 100 quilômetros , ou 100.000 metros de altura! Do nosso ponto de vista, esse múon nunca deve chegar ao chão. E, no entanto, é Einstein para o resgate, graças ao fato de que, quando os objetos se aproximam da velocidade da luz, seus relógios andam devagar.
Crédito da imagem: John D. Norton.
Do nosso ponto de vista, um múon se movendo a 99,9995% da velocidade da luz fará com que o tempo passe apenas 1/1000 da taxa que parece passar para um múon que estava em repouso. Então, em vez de viajar 660 metros, em média, ele pode viajar por 660 quilômetros antes de decair. Essa diferença - para um múon com uma vida média de 2,2 microssegundos - significa que, em vez de ter uma chance em 10^66 de chegar até você (que é a chance que teria se não houvesse dilatação do tempo), ele tem uma 86% de chance de acertar sua mão.
Então, como o múon perceberia isso? Afinal, em seu referencial, o múon vê o tempo passar normalmente, foi criado no topo de sua atmosfera e tem que chegar até o solo.
Mas todo o caminho até o chão não significa a mesma coisa para o múon que significa para nós!
Crédito da imagem: Boundless.com, sob um CC BY-SA 4.0 licença.
Porque enquanto o múon vê o tempo passar normalmente por si mesmo, ele vê o mundo ao seu redor se movendo em sua direção a 99,9995% da velocidade da luz. Além da dilatação do tempo, o múon vê os efeitos da contração do comprimento , o que significa que a distância de 100 km que ele deve percorrer aparece apenas 1/1000 do comprimento: meros 100 metros. Novamente, tem 86% de chance de chegar ao chão antes de decair neste cenário, mesmo do ponto de vista.
Mas esse conhecimento traz uma possibilidade tentadora: se simplesmente acelerando-os tentadoramente perto da velocidade da luz, podemos estender a vida útil do múon, talvez possamos usar isso para construir o acelerador/colisor de partículas definitivo!
Crédito da imagem: Moritz Heller / Steffen Fiedler, via https://vimeo.com/37015401 .
Normalmente, usaremos uma partícula estável (ou antipartícula), como um elétron, pósitron, próton ou antipróton em nossos aceleradores. Ao aplicar um campo elétrico, podemos acelerar a partícula e, ao aplicar um campo magnético, podemos dobrá-la em forma de anel. O anel é superior a um acelerador linear, porque você pode usar a mesma trilha repetidamente para obter energias cada vez mais altas, acelerando essa partícula a velocidades que diferem da velocidade da luz em muito menos do que um único quilômetro por hora. segundo.
Há uma pegadinha, no entanto. Veja bem, adoraríamos ser capazes de obter as mesmas energias que o LHC (o Grande Colisor de Hádrons) obtém para os colisores de elétrons e pósitrons. Quando o LHC colide dois prótons, essa energia de colisão é dividida entre não apenas cada um dos três quarks em cada próton, mas todos os glúons no interior. Você não apenas está perdendo quase toda a sua energia que trabalhou tanto para obter em cada colisão, mas também está obtendo um tremendo monte de lixo, pois todos os quarks e glúons que não colidem fazem uma grande bagunça no seu detector, também.
Crédito da imagem: CERN, pela CMS Collaboration.
Mas você não pode atingir fisicamente as mesmas energias para os colisores elétron-pósitron que você pode para os prótons. Na verdade, antes do LHC, esse mesmo túnel – 27 quilômetros de circunferência – costumava ser o LEP, ou o Large Electron-Positron Collider. Mas enquanto o LHC pode atingir energias de 13 TeV, ou 13.000.000.000.000 elétron-volts, o LEP só conseguiu atingir energias de 114 GeV, ou 114.000.000.000 elétron-volts. Por que esse fator de diferença de ~ 100? Não foi pelo tamanho do anel (que era idêntico), nem mesmo pela força dos ímãs (que poderiam ser idênticos e não fariam diferença), mas pelo fato de que quando partículas carregadas são dobradas e aceleradas em um campo magnético, elas irradiam.
Crédito da imagem: Chung-Li Dong, Jinghua Guo, Yang-Yuan Chen e Chang Ching-Lin, via http://spie.org/x15809.xml .
Conhecido como radiação síncrotron , faz com que partículas carregadas aceleradas percam energia inversamente proporcional à sua massa à quarta potência , o que significa que um elétron, pesando 1836 vezes menos que um próton, perde energia a uma taxa que é 10^13 vezes mais rápido ! Uma pena, porque se você pudesse colidir elétrons e pósitrons com as mesmas energias que poderia colidir hádrons, seria capaz de sondar energias mais altas do centro de massa de forma mais limpa e obter dados melhores para o seu detector.
Mas se pudermos tirar proveito do efeito de dilatação do tempo dos múons, a máquina final pode muito bem ser um colisor de múons, já que o fator de 206 no aumento de massa sobre um elétron significa que ele perderia dois bilhões de vezes menos energia do que um elétron teria a cada passagem ao redor do anel.
Crédito da imagem: Y. Torun, IIT, via Fermilab Today at https://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2015/today15-05-27.html .
Ainda há desafios a serem superados para construir um colisor de múons em funcionamento, mas se pudermos colimar os múons (e antimúons) e colocá-los em um anel acelerador com uma velocidade inicial grande o suficiente, poderemos acelerá-los até mais de 99,999%. a velocidade da luz, colida-os e descubra verdades ainda maiores sobre o Universo – incluindo física de precisão e decaimentos de partículas como o bóson de Higgs e o quark top – do que nunca.
O Workshop de primavera do Muon Accelerator Program no Fermilab acabou de ser finalizado, e acima está o protótipo do módulo RF MICE 201 megahertz, que aumenta os múons em 11 MeV para cada metro de comprimento e, ao mesmo tempo, reduz a velocidade transversal (lado a lado), necessária para manter o feixe colimado. A técnica utilizada é conhecida como resfriamento por ionização e, portanto, isso explica o acrônimo MICE: Muon Ionization Cooling Experiment (MICE).
Crédito da imagem: Fermilab, via http://www.symmetrymagazine.org/breaking/2009/11/19/what-a-muon-collider-could-look-like .
Uma vez um sonho, com seus detratores alegando que o tempo de vida do múon sempre será um fator limitante demais, um acelerador/colisor de múon circular pode muito bem ser o acelerador de partículas que abre a próxima fronteira do Universo além do que o LHC pode sondar. E é a mesma física – a física da relatividade especial, dilatação do tempo e contração do comprimento – que permite que os múons cósmicos alcancem a superfície da Terra que tornará isso possível! ( Veja aqui para os slides da palestra do Prêmio Nobel Carlo Rubbia sobre a criação de uma Fábrica Higgs baseada em múons.)
Então, obrigado por uma boa pergunta e uma ótima desculpa para explorar essa fronteira fascinante que ainda pode dar o salto da ficção científica para a realidade, MegaN00B. É um dos Ask Ethan's mais inovadores que fizemos em muito tempo! E se você tem um pergunta ou sugestão que você gostaria de apresentar, envie-a aqui . Você nunca sabe, a próxima coluna pode ser sua!
Deixe seus comentários em o fórum Starts With A Bang em Scienceblogs .
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