Fizicienii îmblânzesc particulele fundamentale de muoni într-un fascicul controlat cu precizie

Fizicienii îmblânzesc particulele fundamentale de muoni într-un fascicul controlat cu precizie

Pentru prima dată, cercetătorii au accelerat muonii - rudele mai grele și instabile ale electronilor - într-un fascicul strâns controlat, aducând viziunea unei coliziuni de muoni cu un pas mai aproape de realitate.

O echipă de la Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) din Tokai a îndreptat un laser către un flux de muoni pentru a aduce particulele care se mișcă rapid până aproape de oprire. Cercetătorii au aplicat apoi un câmp electric pentru a accelera acești muoni „răciți” la aproximativ 4% din viteza luminii. Rezultatele, care nu au fost încă revizuite de către colegi, au fost publicate pe 15 octombrie pe serverul de preprint arXiv 1.

Această realizare este un „mare pas înainte” în abordarea necesară pentru a realiza una Ciocnitorul de muoni a construi. Un astfel de ciocnitor ar putea fi folosit pentru a face măsurătorile extrem de sensibile necesare pentru a descoperi noi fenomene fizice. Ar fi mai mic și potențial mai ieftin de construit decât alte ciocnitoare de particule, a spus Tova Holmes, un fizician al particulelor la Universitatea din Tennessee din Knoxville.

Muonii sunt particule elementare de scurtă durată care sunt aproape identice cu electronii, dar au o masă de peste 200 de ori mai mare. În ultimul deceniu, a existat o mișcare din ce în ce mai mare către un ciocnitor de muoni compact care ar putea rivaliza sau chiar depăși energiile obținute de ciocnitorii giganți de protoni și electroni, cum ar fi Large Hadron Collider, lung de 27 de kilometri, de la CERN, laboratorul european de fizică a particulelor de lângă Geneva. Un ciocnitor de muoni cu lungimea de 10 kilometri ar putea produce particule cu la fel de multă energie ca cele dintr-o mașină de protoni de 90 de kilometri lungime, deoarece muonii sunt particule elementare a căror energie întreagă intră în fiecare coliziune. În schimb, ciocnirile de protoni au loc între quarcii constituenți.

Cu toate acestea, accelerarea muonilor este extrem de dificilă, deoarece aceștia există doar aproximativ 2 microsecunde înainte de a se transforma într-un electron și două tipuri de Neutrini dezintegra. De asemenea, se deplasează în direcții diferite cu viteze diferite, ceea ce le face dificil de îmblânzit într-un jet îngust, de mare intensitate. Deși cercetătorii au accelerat muonii înainte, fasciculele sunt „foarte divergente”, spune coautorul studiului Shusei Kamioka, un fizician al particulelor la High Energy Accelerator Research Organization din Tsukuba, Japonia. Acest lucru face ca fasciculele să fie prea imprevizibile pentru a fi utilizate pentru măsurători sensibile.

Pentru a depăși acest obstacol, Kamioka și colegii săi au tras un fascicul de muoni încărcați pozitiv, omologul antimateriei al muonilor, numiți antimuoni, în aerogel de silice - un material asemănător buretelui folosit adesea ca izolație termică. Când muonii pozitivi s-au ciocnit cu electronii din aerogel, s-au format atomi neutri de „muonium”. Cercetătorii au tras un laser asupra acestor atomi pentru a le tăia electronii, transformându-i înapoi în muoni pozitivi care au fost aproape înghețați. Acest proces de răcire a făcut ca vitezele și direcțiile particulelor să devină mai uniforme.

Cercetătorii au folosit apoi un câmp electric pentru a accelera acești muoni care încetinesc până la o energie de 100 de kiloelectroni volți, atingând o viteză de aproximativ 4% din viteza luminii.

Deși rezultatele sunt promițătoare, mai este un drum lung de parcurs până când coliziunea muonilor să devină o realitate, spune Holmes. Abordarea ar trebui extinsă pentru a produce fascicule și mai înguste, de intensitate mai mare, adaugă ea.

Kamioka a spus că el și colegii săi dezvoltă tehnologia necesară pentru a accelera muonii la 94% din viteza luminii și speră să obțină acest lucru până în 2028. „Acesta este următorul nostru punct de hotar”, spune el.

Pe lângă construirea unui viitor colisionator, fizicienii ar putea folosi fascicule de muoni de înaltă energie în experimente care depășesc modelul standard al fizicii particulelor, cum ar fi măsurători precise ale magnetismului misterios al muonilor - care este mai puternic decât se prevedea teoretic, a spus Kamioka.

1. Aritome, S. şi colab. Pretipărire la https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

Descărcați referințe