Fyzici krotia základné miónové častice do presne kontrolovaného lúča

Fyzici krotia základné miónové častice do presne kontrolovaného lúča

Výskumníci po prvýkrát urýchlili mióny - ťažšie, nestabilné príbuzné elektrónov - v prísne kontrolovanom zväzku, čím sa vízia zrážky miónov o krok priblížila k realite.

Tím z Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) v Tokai namieril laser na prúd miónov, aby rýchlo sa pohybujúce častice takmer zastavili. Vedci potom použili elektrické pole na urýchlenie týchto „ochladených“ miónov na približne 4 % rýchlosti svetla. Výsledky, ktoré ešte neboli recenzované, boli zverejnené 15. októbra na predtlačovom serveri arXiv 1.

Tento úspech je „veľkým krokom vpred“ v prístupe potrebnom na jeho dosiahnutie Zrážač miónov stavať. Takýto urýchľovač by sa dal použiť na vykonávanie mimoriadne citlivých meraní potrebných na odhalenie nových fyzikálnych javov. Bola by menšia a potenciálne lacnejšia na výrobu ako iné zrážacie častice, povedala Tova Holmes, časticová fyzika z University of Tennessee v Knoxville.

Mióny sú elementárne častice s krátkou životnosťou, ktoré sú takmer identické s elektrónmi, ale majú viac ako 200-násobok svojej hmotnosti. V poslednom desaťročí narastá pohyb smerom ku kompaktnému miónovému urýchľovaču, ktorý by mohol konkurovať alebo dokonca prekročiť energie dosahované obrovskými protónovými a elektrónovými urýchľovačmi, ako je 27-kilometrový Veľký hadrónový urýchľovač v CERN, európskom laboratóriu časticovej fyziky neďaleko Ženevy. 10-kilometrový miónový urýchľovač by mohol produkovať častice s rovnakou energiou ako tie z 90-kilometrového protónového stroja, pretože mióny sú elementárne častice, ktorých celá energia ide do každej zrážky. Naproti tomu medzi jednotlivými kvarkami dochádza k zrážkam protónov.

Urýchlenie miónov je však mimoriadne ťažké, pretože existujú len asi 2 mikrosekundy, kým sa premenia na elektrón a dva typy neutrína rozpadnúť sa. Pohybujú sa tiež rôznymi smermi rôznymi rýchlosťami, takže je ťažké ich skrotiť do úzkeho prúdu s vysokou intenzitou. Hoci výskumníci už predtým mióny zrýchľovali, lúče sú „veľmi divergentné“, hovorí spoluautor štúdie Shusei Kamioka, časticový fyzik z organizácie High Energy Accelerator Research Organization v Tsukube v Japonsku. Vďaka tomu sú lúče príliš nepredvídateľné na to, aby sa dali použiť na citlivé merania.

Aby prekonali túto prekážku, Kamioka a jeho kolegovia vystrelili lúč pozitívne nabitých miónov, antihmotového náprotivku miónov, nazývaných antimióny, do aerogélu oxidu kremičitého - materiálu podobného špongii, ktorý sa často používa ako tepelná izolácia. Keď sa kladné mióny zrazili s elektrónmi v aerogéli, vytvorili sa neutrálne atómy „miónia“. Výskumníci vypálili laser na tieto atómy, aby oddelili ich elektróny a zmenili ich späť na pozitívne mióny, ktoré boli takmer zmrazené. Tento chladiaci proces spôsobil, že rýchlosti a smery častíc sa stali jednotnejšími.

Vedci potom pomocou elektrického poľa urýchlili tieto spomaľujúce mióny na energiu 100 kiloelektrónvoltov, čím dosiahli rýchlosť asi 4 % rýchlosti svetla.

Hoci výsledky sú sľubné, je ešte dlhá cesta, kým sa zrážka miónov stane realitou, hovorí Holmes. Tento prístup by bolo potrebné zväčšiť, aby produkoval ešte užšie lúče s vyššou intenzitou, dodáva.

Kamioka povedal, že on a jeho kolegovia vyvíjajú technológiu potrebnú na zrýchlenie miónov na 94 % rýchlosti svetla a dúfajú, že to dosiahneme do roku 2028. „Toto je náš ďalší míľnik,“ hovorí.

Okrem budovania budúceho zrážača by fyzici mohli použiť vysokoenergetické miónové lúče v experimentoch, ktoré presahujú štandardný model časticovej fyziky, ako sú presné merania záhadného magnetizmu miónov - ktorý je silnejší, než sa teoreticky predpovedalo, povedal Kamioka.

1. Aritome, S. a kol. Predtlač o https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

Stiahnite si referencie