3D-печать используется в физических экспериментах с элементарными частицами

Сейчас ученые активно занимаются исследованием базовых понятий в сфере интенсивности, изучая чрезвычайно редкие процессы, например, превращение мюонов в электроны. Научное сообщество занялось этим вопросом еще в 1940-х годах. Считается, что изучение этой проблемы – ключ к пониманию того, почему частицы из одной категории превращаются из тяжелых в легкие, переходя в состояние с более стабильной массой.

Максимально упрощая понятия, можно сказать, что электроны подразумевают действие (например, такое действие, как обеспечение света в доме или питание компьютера энергией). С другой стороны, мюоны – это более «тяжелая» форма электронов, однако пока не до конца понятно, как эти частицы соотносятся между собой. Физики предполагают, что поняв отношение между мюонами и электронами, они смогут постичь суть самих электронов.

Команда исследователей в настоящий момент работает над системой слежения, которую они назвали Mu2e. Речь идет об устройстве, состоящем из маленьких маломощных плат, которые расположены на концах «трубочек». Ключевым элементом этого устройства являются линии охлаждения, поскольку они позволяют избавиться от теплоты, которая иначе заполнила бы необходимый вакуум. Добиться необходимого охлаждения было непросто, поскольку в системе оставалось крайне мало места для размещения таких линий.

азработчики также столкнулись с тем, что механическая обработка изогнутых металлических деталей с продолговатыми отверстиями для трубочек до недавнего времени была сложной и дорогостоящей. Сейчас эту проблему удалось решить с помощью 3D-печати, которая позволяет производить высокотехнологичную версию деталей из прозрачного пластика.

Исследователи намерены использовать прототип из пластика, напечатанный на 3D-принтере, чтобы пропустить электрический заряд через трубочку и «ущипнуть» ее с помощью магнита, приблизительно так же, как играют на гитарных струнах. Измерив полученную вибрацию, ученые смогут определить контрольные показатели, чтобы трубочка сохраняла исходное прямое положение в ходе всего эксперимента.

Идея проекта Mu2e заключается в том, чтобы проследить, как мюон превращается только в один электрон, без выделения дополнительных частиц. В теории физики считают, что это возможно, однако никому не удалось наблюдать этот процесс на практике.

Подобный эксперимент должен быть примерно в 10 тысяч раз точнее, чем те, что производились ранее. Задача ученых – проследить за быстрым перемещением электронов, чтобы зафиксировать характерный выброс энергии в 105 мегаэлектронвольт, происходящий при распаде мюона. С практической точки зрения это означает, что разработчикам Mu2e необходимо создать детектор с использованием минимального количества материала. Материала должно быть настолько мало, что с определенной степенью относительности можно сказать, что его вообще нет.

Сама система слежения состоит из тончайших трубочек из металлизированного майлара. Толщина трубочек составляет всего 15 микрон, что делает их самыми тонкими за всю историю физических экспериментов.

Трубочки наполнены аргоном и углекислым газом, а посередине внутренней полости проходит тонкий провод. Монтажные платы, установленные на обоих концах трубочки, предназначены для записи любого электрического сигнала, возникающего при столкновении электронов с газом внутри трубочки. Исследователи утверждают, что они смогут измерить время, за которое электроны достигают каждого из концов трубочки, чтобы изобразить общую траекторию частиц.