A fizikusok az alapvető müonrészecskéket pontosan szabályozott nyalábbá szelídítik

A fizikusok az alapvető müonrészecskéket pontosan szabályozott nyalábbá szelídítik

A kutatók most először gyorsították fel a müonokat – az elektronok nehezebb, instabil rokonait – szigorúan ellenőrzött nyalábban, ezzel egy lépéssel közelebb hozva a müonok ütközésének látomását a valósághoz.

A tokai-i Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) csapata egy lézerrel egy müonáramot irányított, hogy a gyorsan mozgó részecskéket majdnem leállítsa. A kutatók ezután elektromos mezőt alkalmaztak, hogy ezeket a „lehűtött” müonokat a fénysebesség körülbelül 4%-ára gyorsítsák fel. Az eredményeket, amelyek még nem kerültek szakértői értékelésre, október 15-én tették közzé az arXiv preprint szerveren. 1.

Ez az eredmény „nagy előrelépés” az eléréséhez szükséges megközelítésben Muon ütköztető építeni. Egy ilyen ütköztetővel új fizikai jelenségek feltárásához szükséges rendkívül érzékeny méréseket lehetne elvégezni. Kisebb és potenciálisan olcsóbb lenne megépíteni, mint más részecskeütköztetők – mondta Tova Holmes, a knoxville-i Tennessee Egyetem részecskefizikusa.

A müonok rövid életű elemi részecskék, amelyek majdnem azonosak az elektronokkal, de tömegük több mint 200-szorosa. Az elmúlt évtizedben egyre nagyobb a mozgás egy olyan kompakt müonütköztető felé, amely vetekedhet az óriási proton- és elektronütköztetők energiáival, vagy akár meg is haladhatja azokat, mint például a CERN, a Genf melletti európai részecskefizikai laboratórium 27 kilométeres nagy hadronütköztetője. Egy 10 kilométer hosszú müonütköztető ugyanolyan energiájú részecskéket tud előállítani, mint egy 90 kilométer hosszú protongépé, mivel a müonok olyan elemi részecskék, amelyek teljes energiája minden ütközésbe kerül. Ezzel szemben az alkotó kvarkok között protonütközések lépnek fel.

A müonok felgyorsítása azonban rendkívül nehéz, mert csak körülbelül 2 mikroszekundumig léteznek, mielőtt elektronná alakulnának, és kétféle Neutrinók szétesik. Különböző irányokba is különböző sebességgel mozognak, így nehéz őket keskeny, nagy intenzitású sugárrá szelídíteni. Bár a kutatók már korábban is felgyorsították a müonokat, a nyalábok "nagyon eltérőek" - mondja Shusei Kamioka, a tanulmány társszerzője, a japán tsukubai High Energy Accelerator Research Organisation részecskefizikusa. Ez túlságosan kiszámíthatatlanná teszi a nyalábokat ahhoz, hogy érzékeny mérésekhez használják őket.

Ennek az akadálynak a leküzdésére Kamioka és kollégái pozitív töltésű müonokból, a müonok antianyag megfelelőiből álló sugarat, az úgynevezett antimuonokat, szilika aerogélbe lőtték, amely szivacsszerű anyag, amelyet gyakran hőszigetelésként használnak. Amikor a pozitív müonok elektronokkal ütköztek az aerogélben, semleges „muónium” atomok keletkeztek. A kutatók lézerrel lőtték ki ezeket az atomokat, hogy elvágják elektronjaikat, és visszaváltsák azokat pozitív müonokká, amelyek majdnem megfagytak. Ez a lehűlési folyamat hatására a részecskék sebessége és iránya egyenletesebbé vált.

A kutatók ezután elektromos mező segítségével 100 kiloelektron voltos energiára gyorsították fel ezeket a lassuló müonokat, amivel elérték a fénysebesség körülbelül 4%-át.

Bár az eredmények ígéretesek, még hosszú utat kell megtenni ahhoz, hogy a müon-ütközés valósággá váljon, mondja Holmes. A megközelítést bővíteni kell, hogy még keskenyebb, nagyobb intenzitású nyalábokat hozzon létre, teszi hozzá.

Kamioka elmondta, hogy kollégáival a müonok fénysebesség 94%-ára történő felgyorsításához szükséges technológiát fejlesztik, és remélik, hogy ezt 2028-ra sikerül elérni. „Ez a következő mérföldkő” – mondja.

A fizikusok a jövőbeni ütköztető építése mellett nagy energiájú müonsugarat is használhatnak olyan kísérletekben, amelyek túlmutatnak a részecskefizikai standard modellen, például a müonok titokzatos mágnesességének pontos mérésében – ami erősebb az elméletileg előrejelzettnél – mondta Kamioka.

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

Referenciák letöltése