Fysikere tæmmer fundamentale myonpartikler til en præcist kontrolleret stråle

Fysikere tæmmer fundamentale myonpartikler til en præcist kontrolleret stråle

For første gang har forskere accelereret myoner - de tungere, ustabile slægtninge til elektroner - i en stramt kontrolleret stråle, hvilket bringer visionen om en myonkollision et skridt tættere på virkeligheden.

Et hold ved Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) i Tokai rettede en laser mod en strøm af myoner for at bringe de hurtigt bevægende partikler til næsten stilstand. Forskerne anvendte derefter et elektrisk felt for at accelerere disse "afkølede" muoner til omkring 4% af lysets hastighed. Resultaterne, som endnu ikke er blevet peer-reviewed, blev offentliggjort den 15. oktober på preprint-serveren arXiv 1.

Denne præstation er et "stort skridt fremad" i den tilgang, der er nødvendig for at opnå en Muon kolliderer at bygge. En sådan kolliderer kunne bruges til at foretage de ekstremt følsomme målinger, der er nødvendige for at afdække nye fysiske fænomener. Det ville være mindre og potentielt billigere at bygge end andre partikelkolliderere, sagde Tova Holmes, en partikelfysiker ved University of Tennessee i Knoxville.

Muoner er kortlivede elementarpartikler, der er næsten identiske med elektroner, men har mere end 200 gange deres masse. I løbet af det seneste årti har der været en stigende bevægelse i retning af en kompakt muon-kollider, der kunne konkurrere med eller endda overstige energierne opnået af gigantiske proton- og elektronkolliderer såsom den 27 kilometer lange Large Hadron Collider ved CERN, det europæiske partikelfysiklaboratorium nær Genève. En 10 kilometer lang myonkolliderer kunne producere partikler med lige så meget energi som dem fra en 90 kilometer lang protonmaskine, fordi muoner er elementære partikler, hvis hele energien går ind i hver kollision. I modsætning hertil forekommer protonkollisioner mellem de konstituerende kvarker.

Det er dog ekstremt vanskeligt at accelerere myoner, fordi de kun eksisterer i omkring 2 mikrosekunder, før de omdannes til en elektron og to typer af Neutrinoer gå i opløsning. De bevæger sig også i forskellige retninger med forskellige hastigheder, hvilket gør dem svære at tæmme ind i en smal, højintensitetsstråle. Selvom forskere har accelereret muoner før, er strålerne "meget divergerende," siger studiemedforfatter Shusei Kamioka, en partikelfysiker ved High Energy Accelerator Research Organization i Tsukuba, Japan. Dette gør strålerne for uforudsigelige til at blive brugt til følsomme målinger.

For at overvinde denne forhindring skød Kamioka og hans kolleger en stråle af positivt ladede myoner, antistof-modstykket til myoner, kaldet antimuoner, ind i silicaaerogel - et svampelignende materiale, der ofte bruges som termisk isolering. Da de positive myoner kolliderede med elektroner i aerogelen, blev der dannet neutrale atomer af "muonium". Forskerne affyrede en laser mod disse atomer for at adskille deres elektroner og forvandlede dem tilbage til positive myoner, der var næsten frosne. Denne afkølingsproces fik partiklernes hastigheder og retninger til at blive mere ensartede.

Forskerne brugte derefter et elektrisk felt til at accelerere disse langsommere myoner til en energi på 100 kiloelektronvolt og nåede en hastighed på omkring 4 % af lysets hastighed.

Selvom resultaterne er lovende, er der stadig lang vej igen, før myonkollision bliver en realitet, siger Holmes. Tilgangen ville skulle skaleres op for at producere endnu smallere, højere intensitetsstråler, tilføjer hun.

Kamioka sagde, at han og hans kolleger udvikler den teknologi, der er nødvendig for at accelerere muoner til 94 % af lysets hastighed, og håber at opnå dette inden 2028. "Dette er vores næste milepæl," siger han.

Udover at bygge en fremtidig kolliderer, kunne fysikere bruge højenergiske myonstråler i eksperimenter, der går ud over standardmodellen for partikelfysik, såsom præcise målinger af myoners mystiske magnetisme - som er stærkere end teoretisk forudsagt, sagde Kamioka.

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

Download referencer