Fysikere temmer fundamentale myonpartikler til en nøyaktig kontrollert stråle

Fysikere temmer fundamentale myonpartikler til en nøyaktig kontrollert stråle

For første gang har forskere akselerert myoner - de tyngre, ustabile slektningene til elektroner - i en tett kontrollert stråle, og bringer visjonen om en myonkollisjon ett skritt nærmere virkeligheten.

Et team ved Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) i Tokai rettet en laser mot en strøm av myoner for å bringe de raskt bevegelige partiklene til nesten stillstand. Forskerne brukte deretter et elektrisk felt for å akselerere disse "avkjølte" myonene til omtrent 4 % av lysets hastighet. Resultatene, som ennå ikke er fagfellevurdert, ble publisert 15. oktober på preprint-serveren arXiv 1.

Denne prestasjonen er et "stort skritt fremover" i tilnærmingen som trengs for å oppnå et Muon-kolliderer å bygge. En slik kolliderer kan brukes til å gjøre de ekstremt følsomme målingene som trengs for å avdekke nye fysiske fenomener. Det ville være mindre og potensielt billigere å bygge enn andre partikkelkolliderer, sa Tova Holmes, en partikkelfysiker ved University of Tennessee i Knoxville.

Myoner er kortlivede elementærpartikler som er nesten identiske med elektroner, men som har mer enn 200 ganger massen. I løpet av det siste tiåret har det vært økende bevegelse mot en kompakt myonkollider som kan konkurrere med eller til og med overgå energiene som oppnås av gigantiske proton- og elektronkollidere som den 27 kilometer lange Large Hadron Collider ved CERN, det europeiske partikkelfysikklaboratoriet nær Genève. En 10 kilometer lang myonkolliderer kan produsere partikler med like mye energi som de fra en 90 kilometer lang protonmaskin, fordi myoner er elementære partikler hvis hele energien går inn i hver kollisjon. I motsetning oppstår protonkollisjoner mellom kvarkene som består av.

Akselerering av myoner er imidlertid ekstremt vanskelig fordi de bare eksisterer i omtrent 2 mikrosekunder før de konverteres til et elektron og to typer Nøytrinoer gå i oppløsning. De beveger seg også i forskjellige retninger med forskjellige hastigheter, noe som gjør dem vanskelige å temme inn i en smal, høyintensitetsstråle. Selv om forskere har akselerert myoner før, er strålene "veldig divergerende," sier studiemedforfatter Shusei Kamioka, en partikkelfysiker ved High Energy Accelerator Research Organization i Tsukuba, Japan. Dette gjør strålene for uforutsigbare til å kunne brukes til sensitive målinger.

For å overvinne dette hinderet, skjøt Kamioka og hans kolleger en stråle av positivt ladede myoner, antimateriemotstykket til myoner, kalt antimuoner, inn i silikaaerogel - et svamplignende materiale som ofte brukes som varmeisolasjon. Da de positive myonene kolliderte med elektroner i aerogelen, ble det dannet nøytrale atomer av "muonium". Forskerne skjøt en laser mot disse atomene for å kutte elektronene deres, og gjorde dem tilbake til positive myoner som nesten var frosset. Denne kjøleprosessen førte til at partiklenes hastighet og retning ble mer jevn.

Forskerne brukte deretter et elektrisk felt for å akselerere disse bremsende myonene til en energi på 100 kiloelektronvolt, og nådde en hastighet på omtrent 4 % av lysets hastighet.

Selv om resultatene er lovende, er det fortsatt en lang vei å gå før myonkollisjon blir en realitet, sier Holmes. Tilnærmingen må skaleres opp for å produsere enda smalere stråler med høyere intensitet, legger hun til.

Kamioka sa at han og kollegene hans utvikler teknologien som trengs for å akselerere myoner til 94 % av lysets hastighet og håper å oppnå dette innen 2028. "Dette er vår neste milepæl," sier han.

I tillegg til å bygge en fremtidig kolliderer, kan fysikere bruke høyenergiske myonstråler i eksperimenter som går utover standardmodellen for partikkelfysikk, for eksempel nøyaktige målinger av mystiske magnetisme - som er sterkere enn teoretisk forutsagt, sa Kamioka.

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

Last ned referanser