Οι φυσικοί εξημερώνουν θεμελιώδη σωματίδια μιονίων σε μια επακριβώς ελεγχόμενη δέσμη

Οι φυσικοί εξημερώνουν θεμελιώδη σωματίδια μιονίων σε μια επακριβώς ελεγχόμενη δέσμη

Για πρώτη φορά, οι ερευνητές επιτάχυναν μιόνια - τα βαρύτερα, ασταθή συγγενή των ηλεκτρονίων - σε μια αυστηρά ελεγχόμενη δέσμη, φέρνοντας το όραμα μιας σύγκρουσης μιονίων ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.

Μια ομάδα στο Ιαπωνικό Ερευνητικό Συγκρότημα Επιταχυντή Πρωτονίων (J-PARC) στο Τοκάι στόχευσε ένα λέιζερ σε ένα ρεύμα μιονίων για να φέρει τα ταχέως κινούμενα σωματίδια σε σχεδόν ακινητοποίηση. Στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα ηλεκτρικό πεδίο για να επιταχύνουν αυτά τα «ψυγμένα» μιόνια σε περίπου 4% της ταχύτητας του φωτός. Τα αποτελέσματα, τα οποία δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, δημοσιεύτηκαν στις 15 Οκτωβρίου στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv 1.

Αυτό το επίτευγμα είναι ένα «μεγάλο βήμα προς τα εμπρός» στην προσέγγιση που απαιτείται για να επιτευχθεί Επιταχυντής Muon να χτίσει. Ένας τέτοιος επιταχυντής θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει τις εξαιρετικά ευαίσθητες μετρήσεις που απαιτούνται για την αποκάλυψη νέων φυσικών φαινομένων. Θα ήταν μικρότερο και δυνητικά φθηνότερο να κατασκευαστεί από άλλους επιταχυντές σωματιδίων, είπε ο Τόβα Χολμς, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί στο Νόξβιλ.

Τα μιόνια είναι βραχύβια στοιχειώδη σωματίδια που είναι σχεδόν πανομοιότυπα με τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν πάνω από 200 φορές τη μάζα τους. Την τελευταία δεκαετία, υπήρξε αυξανόμενη κίνηση προς έναν συμπαγή επιταχυντή μιονίων που θα μπορούσε να ανταγωνιστεί ή ακόμη και να υπερβεί τις ενέργειες που επιτυγχάνονται από γιγάντιους επιταχυντές πρωτονίων και ηλεκτρονίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων μήκους 27 χιλιομέτρων στο CERN, το Ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη. Ένας επιταχυντής μιονίων μήκους 10 χιλιομέτρων θα μπορούσε να παράγει σωματίδια με τόση ενέργεια όπως αυτά από μια μηχανή πρωτονίων μήκους 90 χιλιομέτρων, επειδή τα μιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια των οποίων ολόκληρη η ενέργεια πηγαίνει σε κάθε σύγκρουση. Αντίθετα, συγκρούσεις πρωτονίων συμβαίνουν μεταξύ των συστατικών κουάρκ.

Ωστόσο, η επιτάχυνση των μιονίων είναι εξαιρετικά δύσκολη επειδή υπάρχουν μόνο για περίπου 2 μικροδευτερόλεπτα πριν μετατραπούν σε ηλεκτρόνιο και δύο τύπους Νετρίνα αποσυνθέτω. Κινούνται επίσης σε διαφορετικές κατευθύνσεις με διαφορετικές ταχύτητες, με αποτέλεσμα να είναι δύσκολο να δαμαστούν σε ένα στενό, υψηλής έντασης πίδακα. Αν και οι ερευνητές έχουν επιταχύνει μιόνια στο παρελθόν, οι δέσμες είναι «πολύ αποκλίνουσες», λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Shusei Kamioka, ένας φυσικός σωματιδίων στον Ερευνητικό Οργανισμό Επιταχυντών Υψηλής Ενέργειας στην Tsukuba της Ιαπωνίας. Αυτό καθιστά τις δοκούς πολύ απρόβλεπτες για να χρησιμοποιηθούν για ευαίσθητες μετρήσεις.

Για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, ο Kamioka και οι συνεργάτες του εκτόξευσαν μια δέσμη θετικά φορτισμένων μιονίων, το αντίστοιχο αντιύλη των μιονίων, που ονομάζονται αντιμυόνια, σε αερογέλη πυριτίου - ένα υλικό που μοιάζει με σφουγγάρι που χρησιμοποιείται συχνά ως θερμομόνωση. Όταν τα θετικά μιόνια συγκρούστηκαν με ηλεκτρόνια στην αερογέλη, σχηματίστηκαν ουδέτερα άτομα «μουονίου». Οι ερευνητές εκτόξευσαν ένα λέιζερ σε αυτά τα άτομα για να κόψουν τα ηλεκτρόνια τους, μετατρέποντάς τα ξανά σε θετικά μιόνια που ήταν σχεδόν παγωμένα. Αυτή η διαδικασία ψύξης έκανε τις ταχύτητες και τις κατευθύνσεις των σωματιδίων να γίνουν πιο ομοιόμορφες.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρικό πεδίο για να επιταχύνουν αυτά τα επιβραδυνόμενα μιόνια σε ενέργεια 100 κιλοηλεκτρονίων βολτ, φτάνοντας σε ταχύτητα περίπου 4% της ταχύτητας του φωτός.

Αν και τα αποτελέσματα είναι ελπιδοφόρα, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για να γίνει πραγματικότητα η σύγκρουση μιονίων, λέει ο Χολμς. Η προσέγγιση θα πρέπει να κλιμακωθεί για να παράγει ακόμη στενότερες, υψηλότερης έντασης δέσμες, προσθέτει.

Ο Kamioka είπε ότι αυτός και οι συνάδελφοί του αναπτύσσουν την τεχνολογία που απαιτείται για να επιταχύνουν τα μιόνια στο 94% της ταχύτητας του φωτός και ελπίζει να το επιτύχει αυτό μέχρι το 2028. «Αυτό είναι το επόμενο ορόσημό μας», λέει.

Εκτός από την κατασκευή ενός μελλοντικού επιταχυντή, οι φυσικοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν δέσμες μιονίων υψηλής ενέργειας σε πειράματα που υπερβαίνουν το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, όπως ακριβείς μετρήσεις του μυστηριώδους μαγνητισμού των μιονίων — ο οποίος είναι ισχυρότερος από ό,τι είχε προβλεφθεί θεωρητικά, είπε ο Kamioka.

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

Λήψη παραπομπών