Andi Hektor, Kristjan Kannike
Elektroni raskema sõsara müüoni abil saab otsida nii seni avastamata elementaarosakeste jälgi kui ka uurida materjalide omadusi ja läbi valgustada suuri objekte. Müüonite probleem on aga selles, et nad lagunevad kiiresti. Eri rakenduste tarbeks oleks hädavajalik luua väiksem, töökindlam ja odavam müüonite allikas.
Osakeste standardmudelis ei ole elektronid ainukesed kerged laetud osakesed. Müüon, elektroni raskem sõsar, kuulub standardmudeli teise põlvkonda. Paigalseisva müüoni keskmine eluiga on 2,2 mikrosekundit (miljondikku sekundit): ta laguneb elektroniks ja kaheks neutriinoks. Me saame müüoni eluiga pikendada tänu relativistlikule aja aeglustumisele peaaegu valguse kiirusega liikuvate müüonite puhul. Seetõttu jõuavad maapinnale kõrgel atmosfääris kosmiliste kiirte mõjul tekkivad müüonid.
Näiliselt ei erista müüoneid elektronidest miski peale 200 korda suurema massi. Ent on võimalik, et uued, seni avastamata osakesed vastastikmõjustuvad tugevamini massiivse müüoni kui elektroniga ning muudavad nii salamisi tema omadusi. Seetõttu nähakse suurt vaeva, et täpselt ära mõõta müüoni omadusi, ennekõike anomaalset magnetmomenti. Selle üliväikegi kõrvalekalle standardmudeli ennustustest annaks märku senitundmatute osakeste eksisteerimisest looduses.
Osakestefüüsikud unistavad ka müüonkiirendist, kus elektronide asemel põrgatataks kokku müüoneid. Elektronide kiirendid on enamasti sirged (lineaarkiirendid), mitte ringkiirendid, sest pööretel läheb osa elektronide energiast kiirgusena raisku. Väga pikka kiirendit või väga suurt ringtunnelit on aga raske ja kallis ehitada. Müüonringkiirendi saaks ehitada palju pisema, kuna müüonite suure massi tõttu on energiakaod miljard korda väiksemad kui elektronidel.
Niisuguse müüonkiirendi loomiseks oleks teadlastel ja inseneridel siiski vaja väga palju võimsamat müüonite algallikat. Pärast tekkimist tuleb müüonid välkkiirelt suunata kiirendisse ja üles kiirendada, enne kui nad laguneda jõuavad. Neid peab olema korraga piisavalt palju ja ühesuguse energiaga.
Euroopa tuumauuringute organisatsiooni CERN 10-meetrine plamakiirendi AWAKE. Selles tekitab elektrone kiirendava kiilulaine plasmasse tulistatud suure energiaga prootonite kimp. MAXIMILIEN BRICE / WIKIPEDIA
Müüoneid saab kasutada ka materjalide uurimisel, sest kui piisavalt madala energiaga müüon satub ainesse, võib ta seal samamoodi kui elektron jääda tiirlema ümber aatomituuma. Ainuke erinevus on selles, et suure massi tõttu liigub müüon väga lähedal aatomi tuumale. Valguskiirguse asemel on müüonaatomi spektrijoonteks hoopis röntgenikiirgus.
Mõõtes müüonaatomi lagunemist, saab määrata mitut aine omadust täpselt selles piirkonnas, kus müüon lagunes. Peale selle saab mõõta materjali koostist sügaval objekti sees, sest röntgenikiirgus suudab ka üsna suurtest objektidest välja tungida. Sellist meetodit kasutatakse näiteks väga kalliste või haruldaste ajalooliste objektide korral, kui ei taheta rikkuda objekti, aga soovitakse aru saada, mida see peidab sügaval enese sees. Siiski, praegu on selline meetod veel ülikallis ja kättesaadav vaid mõnes üksikus maailma tipplaboris.
<!–zlick-paywall–>
Kui pommitada ainet antimüüoniega – need on positiivsed –, võib antimüüoni ümber tiirlema hakata elektron, moodustades samuti omamoodi eksootilise aatomi – müooniumi. Kui ainele suunata raadiokiirguse impulss, kiirgab müüonium tagasi impulsi, mis sõltub ümbritsevast keskkonnast. Selliste meetoditega saab uurida magnetvälju materjalides, näiteks ülijuhtides.
Üks müüonite rakendus on kasutada neid samamoodi nagu röntgenikiirgust. Erinevalt röntgenikiirgusest suudavad müüonid läbistada sadu meetreid tihedaid materjale, nagu looduslik pinnas, teras ja betoon. Loodusliku müüonkiirguse abil on läbi valgustatud suuri püramiide, vulkaane ja potentsiaalseid kaevanduspiirkondi. Eesti ettevõte GScan on esimesena maailmas asunud seda tehnoloogiat rakendama sildade ja hoonete seisukorra hindamisel. Teatavasti on raudbetooni suurim mure selles, et selle terassarrus kipub läbi roostetama. See võib näiteks silla puhul lõppeda suure õnnetusega. Kuna looduslik müüonkiirgus on nõrk, siis kulub näiteks mõnemillimeetrise ruumilise lahutuse saavutamiseks mitu päeva. Ehitiste puhul ei valmista see muret, aga inimene ei taha päevi arsti juures mõõteseadmes veeta!
Kui müüoneid saaks piisavalt odavalt tekitada tehislikult, siis saaks läbivalgustust müüonitega kasutada samamoodi nagu praegu röntgenikiirgust. Aga tal on röntgenikiirguse ees kolm olulist eelist. Esiteks, kui röntgenikiirgus suudab läbistada kõige rohkem mõnikümmend sentimeetrit betooni või terast, siis müüonitega võib kasvõi näiteks suure auto, tanki või laeva ühe ropsuga läbi valgustada. Teiseks, müüonid mõõdavad röntgenikiirgusest palju täpsemini materjalide keemilist koostist. Näiteks aitaks see lihtsamini avastada ohtlikke vähivorme, mis koguvad kaltsiumi või rauda oma rakkudesse, või leida keemiatööstuses ja üldse tööstuses toodete keemilisi defekte.
Kolmandaks, müüonkiirgus võimaldab palju väiksema kiirgusdoosiga tekitada objektist palju selgema pildi, kui seda suudab röntgenikiirgus. See on väga tähtis meditsiinis, sest näiteks lapsi ja rasedaid valgustatakse röntgeniga läbi ainult äärmise vajaduse korral. Hinnangute järgi on isegi kuni 5% vähijuhtumitest põhjustatud röntgenikiirgusest, mida inimesed on saanud meditsiinilisel läbivalgustamisel elu jooksul.
Kui müüonid on nii head, miks me siis neid juba igal pool ei kasuta?! Ikka seepärast, et praegused müüonite tootmise seadmed täidavad ära tehasesuuruse hoone. See hoone peidab suurt kiirendit ja selle juurde käivaid seadmeid: vaakumpumpasid, raadiosageduslikke resonaatoreid, juhtsüsteemi. Müüonite tekitamiseks vajalik elektronide lineaarkiirendi on umbes saja meetri pikkune. Saab kasutada ka prootonite ringkiirendit, mille läbimõõt jääb paarikümne meetri kanti.
Väga palju väiksemaks ei saa seda tüüpi kiirendeid teha, kuna see eeldaks väga tugevate elektriväljade tekitamist nendes seadmetes. Mida tugevam on elektriväli, seda kiiremini õnnestub kiirendatavatele osakestele energiat juurde anda. Paraku tekitab liiga tugev väli kiirendiõõnsuses endas ägedaid elektrilahendusi, mis materjali aurustab ja seadet lõhub.
Aga juba 1970. aastatel tulid füüsikud plasmakiirendi ideele (loe täpsemalt Horisont 2023, nr 4). Plasmakiirendi kasutab töökeskkonnana ainet, mis pole mitte ainult aurustatud, vaid plasmat: ainet, mille aatomid on lõhutud positiivseteks ioonideks ja negatiivseteks elektronideks. Plasmat läbiv laseri valgusimpulss tõukab elektronid kõrvale: nii tekib nende ja ioonide vahele palju tugevam elektriväli, kui seda võiks saavutada tahkest materjalist ehitatud seadmes.
Nii tugev väli võimaldab laetud osakestele anda sõna otseses mõttes füüsiku laborilaual energia, milleks muidu läheks tarvis mitme kilomeetri pikkust kiirendit. Näiteks müüonite tekitamiseks on sellises seadmes vaja 100 m lineaarkiirendi asemel vaid alla 5 cm pikkusega plasmakambrit! Aga selleks, et laserikiirgus sobiks kiirendamiseks, tuleb see pakkida kokku väga väikesemõõtmeliseks valguskuuliks. See oli paras pähkel, mis suudeti läbi hammustada alles 2010. aastatel. Laseri asemel saab kasutada ka laetud osakesi, näiteks CERN-i plasmakiirendis AWAKE tekitab elektrone kiirendava kiilulaine plasmasse tulistatud suure energiaga prootonite kimp. Ilmselt on praegune aastakümme plasmakiirendi läbimurdekümnend: need jõuavad maailma üksikutest tipplaboritest juba laiemasse kasutusse.
Müüonkiirgusel on palju kasutusvaldkondi, alates meditsiinist kuni tööstuseni. Ta suudab läbistada väga pakse ja tihedaid materjale, anda infot keemilise koostise kohta ja on inimesele ohutum kui röntgenikiirgus. Kahjuks olid eelmiste põlvkondade müüonkiirguse allikad tehasesuurused, seega igapäevaste rakenduste jaoks liiga suured ja kallid. Ent uue põlvkonna müüonallikad kasutavad väga väikseid (laser)plasmakiirendeid, kus kiirendi pole enam sadade meetrite, vaid hoopis kolme kuni viie sentimeetri pikkune. Tõsi, süsteemi osaks on ka üsna kopsakas lasersüsteem, mis siiski mahub juba praegu ära ühte laborituppa. Tulevikus on lasersüsteem kindlasti palju väiksem, kuna lasertehnoloogia areneb väga kiiresti. Joonis: HORISONT
Plasmakiirendi tõotab tuua kaasa revolutsiooni müüontehnoloogias. See võimaldab hakata müüoneid tekitama piisavalt odavalt ja palju, et neid laiemalt rakendada nii tööstuses kui ka meditsiinis, rääkimata materjaliteadusest ja osakestefüüsikast.
Andi Hektor (1975) on ettevõtte mu-ray.tech kaasasutaja ja tegevjuht ning keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi külalisteadur, kelle tegevuse põhisuund on müüontehnoloogiate rakendused.
Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.
Artikkel on ilmunud Horisondi 2025. aasta kolmandas numbris.