Müonlar elektronlara benzeyen temel parçacıklardır, ancak daha ağırdırlar ve çok hızlı bir şekilde (yani sadece birkaç mikrosaniyede) bozunurlar. Müonları incelemek, parçacık fiziğinin standardını test etmeye ve iyileştirmeye yardımcı olabilirken, aynı zamanda potansiyel olarak yeni fenomenleri veya etkileri ortaya çıkarabilir.
Şimdiye kadar deneysel ortamlarda müon üretimi, büyük ve pahalı aletler olan proton hızlandırıcıları kullanılarak gerçekleştirildi. Müonlar ayrıca, Dünya atmosferindeki atomlarla çarpışarak müonlar ve diğer ikincil parçacıklar üretebilen, dış uzaydan gelen yüksek enerjili parçacıkların ışınları olan kozmik ışınlardan da kaynaklanabilir.
Çin Mühendislik Fiziği Akademisi (CAEP), Guangdong Laboratuvarı, Çin Bilimler Akademisi (CAS) ve diğer enstitülerdeki araştırmacılar, yakın zamanda ultra kısa yüksek yoğunluklu bir lazer kullanarak deneysel ortamlarda müon üretmek için yeni bir yöntem tanıttılar.
Nature Physics dergisinde yayımlanan makalede anlatılan bu yöntemle , gelen elektron başına 0,01 müon’a kadar ulaşan yüksek bir müon verimi elde edildi.
Makalenin ortak yazarı Yuqiu Gu, Phys.org’a yaptığı açıklamada, “Müonlar hem temel fiziksel araştırmalarda hem de uygulamalı fiziksel araştırmalarda önemli bir rol oynuyor.” dedi.
“Genel olarak, müonlar kozmik ışınlardan veya proton hızlandırıcılarından gelir. Birincisi çok düşük bir akı (1/cm 2 /dakikadan az) ile sınırlıdır ve ikincisi sınırlı olanaklar ve yüksek işletme maliyetleri ile sınırlıdır. Şu anda Lazer Wakefield Hızlandırma (LWFA) teknolojisine dayanan Chirped Pulse Amplification (CPA) teknolojisinin hızla gelişmesinden yararlanarak, elektronlar birkaç santimetre içinde GeV seviyesine hızlandırılabilir.”
Gu ve meslektaşları yakın zamanda geliştirilen lazer amplifikasyon tekniklerinden yararlanarak, yüksek enerjili elektronların bir dönüşüm hedefi ile etkileşimi yoluyla müon üretmeye koyuldular. Son makaleleri, bir lazer laboratuvarında başarılı müon üretimini bildiren ilk makaledir.
Gu, “Yüksek enerjili elektronlar ile dönüşüm hedefi arasındaki etkileşim , gama ışınları , nötronlar, elektronlar vb. gibi birçok ikincil radyasyon sürecini içeren çok karmaşık bir süreçtir” diye açıkladı.
“Müonların üretim kesiti yüksek olmadığından, manyetik spektrometre ve diğer yöntemlerle müonların oluşumunu doğrulamak zordur ve dedektörün bu ikincil radyasyonlarla doygunluğa ulaşma olasılığı yüksektir.”
Araştırmacılar, ultra kısa yüksek yoğunluklu lazerleri tarafından üretilen parçacıkların gerçekten müonlar olduğunu doğrulamak için manyetik spektrometrelere dayanmayan alternatif bir yaklaşım geliştirmek zorundaydılar. Sonuç olarak, müonları dinlenme bozunma ömürlerini (yani, bozulmadan önce ne kadar süre dinlenmede yaşadıklarını) ölçerek tanımlayabildiler.
“Bir yandan, müonların ömrü mikro saniyeler mertebesinde olduğundan, ani ikincil radyasyonların girişiminden kaçınabilirler,” dedi Gu. “Öte yandan, müonların ömrü (2,2 μs) diğer tesadüfi tesadüfi arka planlardan kolayca ayırt edilebilen benzersiz bir fiziksel sinyaldir.”
Gu ve meslektaşlarının yürüttüğü ilke kanıtı deneyi oldukça ümit verici sonuçlara ulaştı.
Önerdikleri yöntemlerle üretilen parçacıkların yaşam süresi spektrumunu net bir şekilde tespit edebilmişler ve gözlenen spektrumun müonların bilinen yaşam süreleri ile uyumlu olduğu, dolayısıyla müon ürettikleri sonucuna varılmıştır.
Gu, “Bir lazer laboratuvarındaki yeni bir platformda ilk kez bir müon kaynağı ürettik” dedi.
“0,01 μ/e’lik bir verime ulaştık. Bu deneyi örnek alırsak, müon verimi atış başına 10 7 müona ulaşabilir. Makaleye ek bilgilerde, mevcut deneysel koşullar altında yüzey müonları ve bozunma müonlarının verimlerini daha da tahmin ettik ve verimin 10 3 /s müona ulaşması bekleniyor.
“Bu yeni tip müon kaynağı, küçük lazer laboratuvarlarının müonla ilgili araştırmalar (yüksek enerjili müon radyografisi, μSR, MIXE, vb.) yürütmesini mümkün kılıyor ve böylece müon uygulama araştırmaları için eşik değerini büyük ölçüde azaltıyor.”
Bu araştırmacı ekibi tarafından tasarlanan yeni yaklaşım, lazer teknolojisine dayanarak daha küçük laboratuvarlarda müonların verimli bir şekilde üretilmesini sağlayabilir . Gelecekte, potansiyel olarak yeni sonuçlar ve başarılar üretebilecek müonla ilgili araştırmalar için yeni heyecan verici olasılıklar açabilir.
Gu, “Daha sonra ilk olarak bu müon kaynağının enerji spektrum dağılımı ve açısal dağılımı üzerinde derinlemesine bir araştırma yapacağız” diye ekledi.
“Daha sonra bu müon kaynağını, müon nokta projeksiyon radyografisi, tüm optik müon hızlandırma ve müon nükleer uyarımı gibi çalışmaları yürütmek için kullanmayı planlıyoruz.”
Daha fazla bilgi için: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02872-2 .
