లేజర్‌తో తయారైన మ్యూయాన్లతో సీసం గుండా చూడటం

మ్యూయాన్ ఎలక్ట్రాన్‌కు బరువైన దాయాది. దాని ద్రవ్యరాశి చాలా ఎక్కువ కావడం వల్ల, పదార్థం గుండా వెళ్లేటప్పుడు అది చాలా తక్కువ శక్తిని కోల్పోతుంది, భారీ మందమున్న రాయి లేదా లోహం గుండా దూసుకుపోగలదు.

ఇదే మ్యూయోగ్రఫీకి ఆధారం: మ్యూయాన్లతో భారీ లేదా దట్టమైన వస్తువుల “ఎక్స్-రేలు” తీయడం. ఇది 2017లో ఖుఫు పిరమిడ్ లోపల ఒక పెద్ద శూన్యాన్ని బయటపెట్టింది; అసామా, ఎట్నా వంటి అగ్నిపర్వతాలు, గనులు, రైల్వే సొరంగాలు, హిమానీనదాలు, సరకు కంటైనర్లను పరిశీలించడానికి ఉపయోగించారు.

ఆకాశ మ్యూయాన్ల పరిమితి

ఇప్పటివరకు మ్యూయోగ్రఫీ కేవలం కాస్మిక్ మ్యూయాన్లపైనే ఆధారపడింది; కాస్మిక్ కిరణాలు వాతావరణాన్ని ఢీకొన్నప్పుడు అవి సహజంగా పుడతాయి. వాటి ప్రవాహం తక్కువ — చదరపు సెంటీమీటర్‌కు సెకనుకు సుమారు ఒక మ్యూయాన్ — కాబట్టి చిత్రీకరణ సమయం ఎక్కువ. అవి ఎక్కువగా పై నుంచి వస్తాయి, వాటి శక్తిని గానీ దిశను గానీ ఎవరూ నియంత్రించలేరు.

ప్రత్యామ్నాయం: లేజర్‌తో కృత్రిమ మ్యూయాన్ పుంజాన్ని తయారు చేయడం. “లేజర్ వేక్‌ఫీల్డ్ త్వరణం” (laser wakefield acceleration) కొన్ని సెంటీమీటర్ల వాయువులోనే ఎలక్ట్రాన్లను సుమారు 10 GeV వరకు నడిపించగలదు. ఆ ఎలక్ట్రాన్లు ఘన లక్ష్యాన్ని ఢీకొన్నప్పుడు మ్యూయాన్లు పుడతాయి. లేజర్‌తో తయారైన మ్యూయాన్లను 2025లో షాంఘైలో, బర్కిలీ BELLA లేజర్ వద్ద మొదటిసారి నిర్ధారించారు — కానీ పరోక్షంగా మాత్రమే గుర్తించారు.

ప్రయోగం

ఈ పరిశోధన రొమేనియాలోని మగురెలెలో ఉన్న ELI-NP (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics)లో, దాని 10 పెటావాట్ లేజర్ శాఖతో జరిగింది: 23 ఫెమ్టోసెకన్లలో 230 జూల్స్, గరిష్ఠంగా నిమిషానికి ఒక షాట్. ఈ ప్రయోగ విడతలో 230 షాట్లు ఉపయోగించారు.

• 60 mm వాయు లక్ష్యం 8 GeV వరకు ఎలక్ట్రాన్లను ఉత్పత్తి చేసింది.
• అవి 40 × 40 × 50 cm సీసం దిమ్మను ఢీకొన్నాయి. అక్కడ గామా కిరణాలు మ్యూయాన్–ప్రతిమ్యూయాన్ జతలను సృష్టించాయి (బేథే–హైట్లర్ ప్రక్రియ).
• భారీ కవచం — 100 cm పాలిథిలిన్, 60 cm పారాఫిన్, సీసం, 2 మీటర్ల మందమున్న ఉక్కుకాంక్రీటు గోడ — అవాంఛిత న్యూట్రాన్లు, గామా కిరణాలను ఆపింది.
• మ్యూయోగ్రఫీ కోసం నిర్మించిన మూడు డిటెక్టర్లు పుంజాన్ని నమోదు చేశాయి. వాటిలో ఒకటైన µ36ను ఒక వ్యాన్‌లో అమర్చి, మూలం నుంచి 20, 29, 42 మీటర్ల దూరానికి, పక్కకు 6 మీటర్ల వరకు తీసుకెళ్లారు.
• వివరణాత్మక మాంటే కార్లో అనుకరణలు (GEANT4) కొలిచిన ఎలక్ట్రాన్ వర్ణపటాల నుంచి మొత్తం ఏర్పాటును, షాట్ వారీగా, పునరుత్పత్తి చేశాయి.

వారు కొలిచింది

• పుంజ ఆకృతి: అక్షంపై కేంద్రీకృతమైన శిఖరం, 20 m వద్ద 4.51 m వెడల్పు (సగం ఎత్తు వద్ద), 29 m వద్ద 6.35 m — సుమారు 12.6° విచ్చుకునే కోణం. అనుకరణలు 4.43 m, 6.27 m ఇస్తాయి.
• 20 m వద్ద, అవాంఛిత కణాలు సంఖ్యలో ఎక్కువైనప్పటికీ, డిటెక్టర్‌లో నిక్షిప్తమైన శక్తిలో 86.9 % మ్యూయాన్ల నుంచే వస్తుంది.
• మ్యూయాన్ శక్తి: కొన్ని GeV, 6–7 వరకు. డిటెక్టర్లను చేరాలంటే మ్యూయాన్లకు కనీసం 1.5 GeV కావాలి.
• చిత్రం: మూలం నుంచి 23 m దూరంలో ఉంచిన 20 × 25 × 100 cm సీసం వస్తువును 30 లేజర్ షాట్లలో చిత్రీకరించారు. దాని పునర్నిర్మిత పరిమాణం: 22.5–25 cm — అసలు వస్తువు 25 cm మందం. దాని వెనుక సంకేతం సుమారు 26 % తగ్గుతుంది. విభేదనం: 2.5 cm, ఒక డిటెక్టర్ కడ్డీ వెడల్పు.
• అనుకరణలో, మ్యూయాన్లు లేకుండా గామా కిరణాలు, న్యూట్రాన్లు ఈ చిత్రాన్ని ఉత్పత్తి చేయవు, కేవలం చదునైన నేపథ్యం మాత్రమే వస్తుంది.

ఆకాశ మ్యూయాన్లకు అతీతంగా

రచయితల ప్రకారం, ఇది లేజర్‌తో నడిచే కృత్రిమ మ్యూయాన్ పుంజం ఆధిపత్యం వహించిన మొదటి చిత్రీకరణ. కృత్రిమ మూలం బలమైన ప్రవాహాన్ని, దిశ మరియు శక్తిపై నియంత్రణను ఇస్తుంది — ఇక ఆకాశం కోసం ఎదురుచూడనక్కర్లేదు. ఇది మ్యూయాన్ స్పిన్ వర్ణపటశాస్త్రానికి, న్యూట్రినో అధ్యయనాలకు కూడా ఉపయోగపడవచ్చు. తదుపరి ప్రయోగ విడతలు మరింత అధిక ఎలక్ట్రాన్ శక్తులను, అధిక ప్రవాహాల కోసం నిర్మించిన డిటెక్టర్లను లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నాయి.