Физиците укротяват фундаменталните мюонни частици в прецизно контролиран лъч

Физиците укротяват фундаменталните мюонни частици в прецизно контролиран лъч

За първи път изследователите ускориха мюони - по-тежките, нестабилни роднини на електроните - в строго контролиран лъч, приближавайки визията за мюонен сблъсък една стъпка по-близо до реалността.

Екип от Японския изследователски комплекс за протонен ускорител (J-PARC) в Токай насочи лазер към поток от мюони, за да доведе бързо движещите се частици почти до застой. След това изследователите прилагат електрическо поле, за да ускорят тези „охладени“ мюони до около 4% от скоростта на светлината. Резултатите, които все още не са рецензирани, бяха публикувани на 15 октомври на сървъра за предпечат arXiv 1.

Това постижение е „голяма стъпка напред“ в подхода, необходим за постигането му Мюонен колайдер да се изгради. Такъв колайдер може да се използва за извършване на изключително чувствителни измервания, необходими за разкриване на нови физически явления. Той би бил по-малък и потенциално по-евтин за изграждане от други колайдери на частици, каза Това Холмс, физик на елементарните частици в Университета на Тенеси в Ноксвил.

Мюоните са краткотрайни елементарни частици, които са почти идентични с електроните, но имат повече от 200 пъти масата им. През последното десетилетие имаше нарастващо движение към компактен мюонен колайдер, който би могъл да съперничи или дори да надмине енергиите, постигнати от гигантски протонен и електронен колайдер, като Големия адронен колайдер с дължина 27 километра в CERN, Европейската лаборатория по физика на елементарните частици близо до Женева. 10-километров мюонен колайдер може да произведе частици с толкова енергия, колкото тези от 90-километрова протонна машина, тъй като мюоните са елементарни частици, чиято цялата енергия отива при всеки сблъсък. Обратно, протонни сблъсъци възникват между съставните кварки.

Ускоряването на мюони обаче е изключително трудно, тъй като те съществуват само около 2 микросекунди, преди да се превърнат в електрон и два вида Неутрино разпадат се. Те също така се движат в различни посоки с различни скорости, което ги прави трудни за опитомяване в тясна струя с висок интензитет. Въпреки че изследователите са ускорявали мюони и преди, лъчите са „много различни“, казва съавторът на изследването Шусей Камиока, физик на елементарните частици в Организацията за изследване на високоенергийните ускорители в Цукуба, Япония. Това прави лъчите твърде непредвидими, за да бъдат използвани за чувствителни измервания.

За да преодолеят това препятствие, Камиока и колегите му изстреляха лъч от положително заредени мюони, антиматерийният аналог на мюоните, наречени антимюони, в силициев аерогел - подобен на гъба материал, често използван като топлоизолация. Когато положителните мюони се сблъскат с електрони в аерогела, се образуват неутрални атоми на "мюоний". Изследователите изстреляха лазер към тези атоми, за да откъснат техните електрони, превръщайки ги обратно в положителни мюони, които бяха почти замръзнали. Този процес на охлаждане доведе до по-равномерни скорости и посоки на частиците.

След това изследователите използваха електрическо поле, за да ускорят тези забавящи се мюони до енергия от 100 килоелектронволта, достигайки скорост от около 4% от скоростта на светлината.

Въпреки че резултатите са обещаващи, все още има дълъг път преди мюонният сблъсък да стане реалност, казва Холмс. Подходът трябва да бъде разширен, за да се произведат още по-тесни лъчи с по-висок интензитет, добавя тя.

Камиока каза, че той и колегите му разработват технологията, необходима за ускоряване на мюоните до 94% от скоростта на светлината и се надяват да постигнат това до 2028 г. „Това е следващият ни крайъгълен камък“, казва той.

В допълнение към изграждането на бъдещ колайдер, физиците биха могли да използват високоенергийни мюонни лъчи в експерименти, които надхвърлят Стандартния модел на физиката на елементарните частици, като прецизни измервания на мистериозния магнетизъм на мюоните - който е по-силен от теоретично предвиденото, каза Камиока.

1. Aritome, S. et al. Предпечат при https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

Изтегляне на препратки