Fyzici krotí základní mionové částice do přesně řízeného paprsku

Fyzici krotí základní mionové částice do přesně řízeného paprsku

Vědci poprvé urychlili miony - těžší, nestabilní příbuzné elektronů - v přísně kontrolovaném paprsku, čímž přiblížili vizi srážky mionů o krok blíže realitě.

Tým z Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) v Tokai zamířil laserem na proud mionů, aby rychle se pohybující částice téměř zastavily. Vědci poté použili elektrické pole k urychlení těchto „chlazených“ mionů na přibližně 4 % rychlosti světla. Výsledky, které ještě nebyly recenzovány, byly zveřejněny 15. října na předtiskovém serveru arXiv 1.

Tento úspěch je „velkým krokem vpřed“ v přístupu potřebném k jeho dosažení Mionový urychlovač stavět. Takový urychlovač by mohl být použit k provádění extrémně citlivých měření potřebných k odhalení nových fyzikálních jevů. Bylo by menší a potenciálně levnější na stavbu než jiné srážeče částic, řekla Tova Holmes, částicová fyzika z University of Tennessee v Knoxville.

Miony jsou elementární částice s krátkou životností, které jsou téměř totožné s elektrony, ale mají více než 200násobek své hmotnosti. Během posledního desetiletí došlo ke stále většímu pohybu směrem ke kompaktnímu urychlovači mionů, který by mohl konkurovat nebo dokonce překročit energie dosahované obřími urychlovači protonů a elektronů, jako je 27 kilometrů dlouhý Velký hadronový urychlovač v CERN, evropské laboratoři částicové fyziky poblíž Ženevy. 10kilometrový srážeč mionů by mohl produkovat částice s takovou energií jako ty z 90kilometrového protonového stroje, protože miony jsou elementární částice, jejichž celá energie jde do každé srážky. Naproti tomu mezi jednotlivými kvarky dochází ke srážkám protonů.

Urychlení mionů je však extrémně obtížné, protože existují pouze asi 2 mikrosekundy, než se přemění na elektron a dva typy Neutrina rozpadnout se. Pohybují se také různými směry různými rychlostmi, takže je obtížné je zkrotit do úzkého proudu s vysokou intenzitou. Ačkoli vědci urychlovali miony již dříve, paprsky jsou „velmi divergentní,“ říká spoluautor studie Shusei Kamioka, částicový fyzik z High Energy Accelerator Research Organization v Tsukubě v Japonsku. Díky tomu jsou paprsky příliš nepředvídatelné na to, aby byly použity pro citlivá měření.

Aby překonali tuto překážku, Kamioka a jeho kolegové vystřelili paprsek kladně nabitých mionů, antihmotového protějšku mionů, nazývaných antimiony, do křemičitého aerogelu – houbovitého materiálu často používaného jako tepelná izolace. Když se kladné miony srazily s elektrony v aerogelu, vznikly neutrální atomy „muonia“. Vědci vypálili laser na tyto atomy, aby oddělili jejich elektrony a přeměnili je zpět na kladné miony, které byly téměř zmrzlé. Tento chladící proces způsobil, že se rychlosti a směry částic staly jednotnějšími.

Vědci pak pomocí elektrického pole urychlili tyto zpomalující miony na energii 100 kiloelektronvoltů, čímž dosáhli rychlosti asi 4 % rychlosti světla.

Ačkoli jsou výsledky slibné, je ještě dlouhá cesta, než se srážka mionů stane realitou, říká Holmes. Tento přístup by bylo třeba zvětšit, aby produkoval ještě užší paprsky s vyšší intenzitou, dodává.

Kamioka řekl, že on a jeho kolegové vyvíjejí technologii potřebnou k urychlení mionů na 94 % rychlosti světla a doufají, že toho dosáhneme do roku 2028. „Toto je náš další milník,“ říká.

Kromě stavby budoucího urychlovače by fyzici mohli použít vysokoenergetické mionové paprsky v experimentech, které přesahují standardní model částicové fyziky, jako je přesná měření záhadného magnetismu mionů – který je silnější, než se teoreticky předpokládalo, řekl Kamioka.

1. Aritome, S. a kol. Předtisk v https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

Stáhněte si reference