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Una sorgente portatile puòe produrre fasci di muoni ad alta energia
Potrebbe aiutare nello sviluppo di sorgenti di muoni ultracompatte per applicazioni come la tomografia a muoni, che visualizza l’interno di oggetti di grandi dimensioni inaccessibili alla radiografia a raggi X.
L’accelerazione laser al plasma (LPA) può essere utilizzata per generare fasci di muoni multi-gigaelettronvolt, secondo i fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) negli Stati Uniti.
Il loro lavoro potrebbe aiutare nello sviluppo di sorgenti di muoni ultracompatte per applicazioni come la tomografia a muoni, che visualizza l’interno di oggetti di grandi dimensioni inaccessibili alla radiografia a raggi X.
I muoni sono particelle subatomiche cariche che vengono prodotte in grandi quantità quando i raggi cosmici si scontrano con atomi a 15-20 km di altezza nell’atmosfera.
I muoni hanno le stesse proprietà degli elettroni, ma sono circa 200 volte più pesanti.
Ciò significa che possono viaggiare molto più lontano attraverso strutture solide rispetto agli elettroni.
Questa proprietà viene sfruttata nella tomografia muonica, che analizza il modo in cui i muoni penetrano negli oggetti e quindi sfrutta queste informazioni per produrre immagini 3D.
La tecnica è simile alla tomografia a raggi X utilizzata nell’imaging medico, con la radiazione a raggi cosmici che prende il posto dei raggi X generati artificialmente e i tracciatori di muoni al posto dei rivelatori di raggi X.
Infatti, a seconda della loro energia, i muoni possono attraversare metri di roccia o altri materiali, rendendoli ideali per l’imaging di strutture spesse e di grandi dimensioni.
Di conseguenza, la tecnica è stata utilizzata per sbirciare all’interno di reattori nucleari, piramidi e vulcani.
Un’altra opzione è quella di utilizzare il gran numero di muoni a bassa energia che possono essere prodotti nelle strutture degli acceleratori di protoni facendo schiantare un fascio di protoni su un bersaglio di carbonio fisso. Tuttavia, questi acceleratori sono strutture grandi e costose, che ne limitano l’uso nella tomografia a muoni.
Una nuova sorgente compatta
I fisici guidati da Davide Terzani hanno ora sviluppato una nuova sorgente di muoni compatta basata su fasci di elettroni generati da LPA.
Tale sorgente, se ottimizzata, potrebbe essere dispiegata sul campo e potrebbe persino produrre fasci di muoni in direzioni specifiche.
Nell’LPA, un impulso laser ultra-intenso, ultra-corto e strettamente focalizzato si propaga in un gas “sotto-denso”.
Il campo elettrico estremamente elevato dell’impulso ionizza gli atomi di gas, liberando gli elettroni dai nuclei, generando così un plasma.
La forza ponderomotrice, o pressione di radiazione, dell’intenso impulso laser sposta questi elettroni e crea un’onda elettrostatica che produce campi di accelerazione ordini di grandezza superiori a quelli possibili nelle tradizionali cavità a radiofrequenza utilizzate negli acceleratori convenzionali.
Gli LPA hanno tutti i vantaggi di un acceleratore di elettroni ultracompatto che consente la produzione di muoni in una struttura di piccole dimensioni come BeLLA, dove lavorano Terzani e i suoi colleghi.
Infatti, nel loro esperimento, sono riusciti a generare per la prima volta un fascio di elettroni da 10 GeV in un bersaglio di gas di 30 cm.
I ricercatori hanno fatto collidere questo raggio con un bersaglio denso, come il tungsteno.
Questo rallenta il fascio in modo che emetta Bremsstrahlung, o radiazione frenante, che interagisce con il materiale, producendo prodotti secondari che includono coppie leptone-antileptone, come le coppie elettrone-positrone e muone-antimuone.
Dietro il bersaglio del convertitore, c’è anche un burst di muoni di breve durata che si propaga all’incirca lungo lo stesso asse del fascio di elettroni in arrivo. Una spessa schermatura in calcestruzzo filtra quindi la maggior parte dei prodotti secondari, lasciando passare la maggior parte dei muoni attraverso di essa.
Fondamentalmente, Terzani e colleghi sono stati in grado di separare il segnale del muone dalla grande radiazione di fondo, cosa che può essere difficile da fare a causa dell’inefficienza intrinseca del processo di produzione del muone.
Ciò ha permesso loro di identificare due diverse popolazioni di muoni provenienti dall’acceleratore.
Si trattava di una popolazione collimata, diretta in avanti, generata dalla produzione di coppie; e una popolazione isotropa a bassa energia generata dal decadimento dei mesoni.
Molte applicazioni
I muoni possono essere utilizzati in una vasta gamma di campi, dall’imaging alla fisica delle particelle fondamentali.
Come accennato, i muoni dei raggi cosmici sono attualmente utilizzati per ispezionare oggetti grandi e spessi non accessibili alla normale radiografia a raggi X – un esempio recente di ciò è la scoperta di una camera nascosta nella Piramide di Cheope.
Possono anche essere utilizzati per l’imaging del nucleo di un altoforno in fiamme o di impianti di stoccaggio di scorie nucleari.
Sebbene la nuova tecnica basata su LPA non sia ancora in grado di produrre flussi di muoni adatti per esperimenti di fisica delle particelle, ad esempio per sostituire un iniettore di muoni, potrebbe offrire alla comunità degli acceleratori un modo conveniente per testare e sviluppare elementi essenziali per la realizzazione di un futuro collisore di muoni.
L’esperimento in questo studio, che è descritto in dettaglio in Physical Review Accelerators and Beams, si è concentrato sul rilevamento del passaggio dei muoni, dimostrando inequivocabilmente la loro firma. I ricercatori concludono che ora hanno una comprensione molto migliore della fonte di questi muoni.
Purtroppo, il programma originale che finanziava questa ricerca è terminato, quindi gli studi futuri sono limitati al momento.
Per non scoraggiarsi, i ricercatori affermano di credere fermamente nel potenziale dei muoni generati da LPA e stanno lavorando per riprendere alcuni dei loro esperimenti.
Ad esempio, mirano a misurare il flusso e lo spettro del fascio di muoni risultante utilizzando tecniche di rilevamento completamente diverse basate su tracciatori di particelle ultraveloci, ad esempio.
Il team di LBNL vuole anche esplorare diverse applicazioni, come l’imaging di depositi minerari profondi, qualcosa che sarà piuttosto impegnativo perché pone rigide limitazioni all’energia minima dei muoni richiesta per penetrare nel suolo. Pertanto, stanno cercando di aumentare l’energia dei muoni della loro fonte.
Immagine: Robinson Kuntz/Berkeley Lab
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