Energy-resolved measurement of individual GeV muon tracks generated by electrons from a compact Laser-Plasma Accelerator
I ricercatori del Centro BELLA hanno dimostrato con successo la ricostruzione risolta in energia di singoli tracciati di muoni da GeV generati da elettroni di acceleratori laser-plasma, convalidando una sorgente di muoni compatta e attiva capace di consentire la mappatura della densità 3D non invasiva.
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Immaginate di voler vedere l'interno di un enorme e denso masso, come il nucleo di un vulcano o le camere nascoste di un'antica piramide. Non basta puntare una torcia sopra di esso; la luce rimbalza sulla superficie e non dice nulla su ciò che si trova nel profondo. Per decenni, gli scienziati hanno usato un trucco cosmico naturale per risolvere il problema: aspettano che piovano dallo spazio minuscole particelle fantasma chiamate muoni. Questi muoni sono come supereroi della penetrazione; possono sfrecciare attraverso rocce e acciaio quasi con la stessa facilitità con cui la luce attraversa il vetro. Contando quanti muoni vengono fermati dalla roccia rispetto a quanti riescono ad attraversarla, gli scienziati possono costruire una mappa 3D di ciò che è nascosto all'interno. Ma c'è un problema: i muoni cosmici sono pigri. Arrivano lentamente, soprattutto dal punto direttamente sopra di sé, e non hanno molta energia. Per ottenere un'immagine nitida di un oggetto denso, spesso bisogna aspettare mesi, come cercare di riempire un secchio con un rubinetto che gocciola.
Ora, immaginate se poteste costruire la vostra "fabbrica di muoni" direttamente nel vostro giardino. Invece di aspettare che la natura invii le particelle, potreste creare un fascio concentrato e ad alta velocità di esse su richiesta. Questo è il sogno dell'uso degli "Acceleratori Laser-Plasma" (LPA). Pensate a un LPA come a una fionda per particelle. Invece di una gigantesca pista lunga migliaia di chilometri come gli acceleratori tradizionali, un LPA utilizza un laser potente per creare un'onda in un gas, molto simile a un surfista che cavalca un'onda. Gli elettroni saltano su questa onda e vengono accelerati a velocità incredibili in pochi centimetri. Quando questi elettroni super-veloci si scontrano con un bersaglio di metallo pesante, possono generare muoni. La grande domanda per gli scienziati è stata: possiamo effettivamente vedere questi muoni prodotti in fabbrica, tracciarne i percorsi e misurarne l'energia uno per uno, o si perdono in un caos di radiazioni?
Questo articolo racconta la storia di un team del Lawrence Berkeley National Laboratory che ha deciso di scoprirlo. Hanno costruito un "telescopio a muoni" personalizzato per catturare i muoni creati quando i loro elettroni accelerati dal laser colpiscono un grosso blocco di piombo e cemento. Il loro obiettivo non era solo dire: "Ehi, abbiamo creato dei muoni!", ma dimostrare che potevano tracciare il percorso di singoli muoni e misurare esattamente quanta energia avessero.
Il team ha allestito un esperimento ingegnoso. Hanno sparato fasci di elettroni ad alta energia (fino a 10 GeV) contro un massiccio muro schermato. All'interno di questo muro, gli elettroni si sono fermati, ma hanno generato muoni abbastanza energetici da riuscire a perforare il resto della schermatura ed uscire nella stanza successiva. Ad attenderli c'era il loro telescopio: due pile di detector al silicio ultra-sensibili con un potente magnete posizionato in mezzo. Il magnete agisce come un lanciatore di curve; piega il percorso dei muoni. Misurando quanto il percorso del muone si curvava, gli scienziati potevano calcolare la sua velocità e la sua energia.
I risultati sono stati un successo clamoroso. Su centinaia di colpi di fascio elettronico, il team è riuscito a ricostruire le tracce di 39 singoli muoni. Per 10 di questi, sono riusciti a compiere il trucco magico completo: hanno visto il muone entrare, hanno osservato come veniva deviato dal magnete e l'hanno visto uscire. Da ciò, hanno calcolato che questi muoni avevano energie superiori a 1 GeV (giga-elettronvolt). Questo è un grande passo avanti perché dimostra che la sorgente laser-plasma è in grado di creare un fascio di muoni ad alta energia che possono essere tracciati singolarmente.
L'articolo chiarisce anche ciò che non hanno trovato. Non hanno trovato un'inondazione di muoni; i detector hanno catturato solo una minuscola frazione del totale dei muoni prodotti perché i detector erano piccoli rispetto alla diffusione del fascio. Hanno inoltre notato che, mentre potevano misurare l'energia dei muoni che passavano attraverso entrambi gli stack, non potevano misurare l'energia di quelli che passavano attraverso un solo stack. Inoltre, per alcuni dei muoni, l'incertezza nella misurazione era così alta che non potevano determinare se il muone fosse carico positivamente o negativamente, sebbene potessero comunque confermare che avesse un'alta energia.
Perché tutto questo è importante? Gli autori suggeriscono che questo è un passo crucialo verso la "muografia a sorgente attiva". Se riuscissero a far sì che questi sistemi laser sparino migliaia di volte al secondo (invece di una volta al secondo), potrebbero creare un fascio di muoni luminoso e concentrato. Ciò permetterebbe loro di scansionare oggetti densi — come reattori nucleari, container di merci o formazioni geologiche — in minuti o ore invece di mesi. L'articolo non sostiene di aver costruito lo scanner finale, ma ha dimostrato che la "pistola a muoni" funziona e che ora possiamo vedere e misurare i proiettili che spara, uno alla volta.
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