يقوم الفيزيائيون بترويض جسيمات الميون الأساسية في شعاع يتم التحكم فيه بدقة

يقوم الفيزيائيون بترويض جسيمات الميون الأساسية في شعاع يتم التحكم فيه بدقة

لأول مرة، قام الباحثون بتسريع الميونات - وهي أقارب الإلكترونات الأثقل وغير المستقرة - في شعاع متحكم فيه بإحكام، مما يجعل رؤية تصادم الميونات أقرب إلى الواقع.

قام فريق من مجمع أبحاث مسرع البروتون الياباني (J-PARC) في توكاي بتوجيه الليزر نحو تيار من الميونات لإيقاف الجزيئات سريعة الحركة. ثم استخدم الباحثون مجالًا كهربائيًا لتسريع هذه الميونات "المبردة" إلى حوالي 4% من سرعة الضوء. تم نشر النتائج، التي لم تتم مراجعتها بعد، في 15 أكتوبر على خادم الطباعة المسبقة arXiv 1.

ويشكل هذا الإنجاز "خطوة كبيرة إلى الأمام" في النهج المطلوب لتحقيق ذلك مصادم مون لبناء. ويمكن استخدام مثل هذا المصادم لإجراء القياسات الحساسة للغاية اللازمة للكشف عن ظواهر فيزيائية جديدة. وقالت توفا هولمز، عالمة فيزياء الجسيمات بجامعة تينيسي في نوكسفيل، إن تصنيعها سيكون أصغر حجمًا وربما أرخص من مصادمات الجسيمات الأخرى.

الميونات هي جسيمات أولية قصيرة العمر تشبه الإلكترونات تقريبًا ولكن كتلتها تزيد عن 200 مرة. على مدى العقد الماضي، كانت هناك حركة متزايدة نحو مصادم الميونات المدمج الذي يمكن أن ينافس، أو حتى يتجاوز، الطاقات التي حققتها مصادمات البروتونات والإلكترونات العملاقة، مثل مصادم الهادرونات الكبير الذي يبلغ طوله 27 كيلومترًا في CERN، وهو مختبر فيزياء الجسيمات الأوروبي بالقرب من جنيف. يمكن لمصادم ميون يبلغ طوله 10 كيلومترات أن ينتج جسيمات ذات طاقة تعادل تلك الناتجة عن آلة بروتون يبلغ طولها 90 كيلومترًا، لأن الميونات عبارة عن جسيمات أولية تذهب طاقتها بالكامل إلى كل تصادم. في المقابل، تحدث تصادمات البروتونات بين الكواركات المكونة لها.

ومع ذلك، فإن تسريع الميونات أمر صعب للغاية لأنها موجودة فقط لحوالي 2 ميكروثانية قبل أن تتحول إلى إلكترون ونوعين من النيوترينوات تتفكك. كما أنها تتحرك في اتجاهات مختلفة بسرعات مختلفة، مما يجعل من الصعب ترويضها لتصبح طائرة نفاثة ضيقة وعالية الكثافة. على الرغم من أن الباحثين قاموا بتسريع الميونات من قبل، إلا أن الحزم "متباعدة جدًا"، كما يقول المؤلف المشارك في الدراسة شوسي كاميوكا، عالم فيزياء الجسيمات في منظمة أبحاث مسرعات الطاقة العالية في تسوكوبا باليابان. وهذا يجعل الحزم غير قابلة للتنبؤ بها بحيث لا يمكن استخدامها في القياسات الحساسة.

للتغلب على هذه العقبة، أطلق كاميوكا وزملاؤه شعاعًا من الميونات موجبة الشحنة، وهي نظير المادة المضادة للميونات، والتي تسمى الميونات المضادة، إلى هلام السيليكا الهوائي، وهي مادة تشبه الإسفنج تستخدم غالبًا كعزل حراري. وعندما اصطدمت الميونات الموجبة بالإلكترونات الموجودة في الهلام الهوائي، تشكلت ذرات محايدة من "الميونيوم". أطلق الباحثون ليزرًا على هذه الذرات لقطع إلكتروناتها، وإعادتها إلى ميونات موجبة كانت شبه متجمدة. تسببت عملية التبريد هذه في أن تصبح سرعات الجسيمات واتجاهاتها أكثر تجانسًا.

استخدم الباحثون بعد ذلك مجالًا كهربائيًا لتسريع هذه الميونات البطيئة إلى طاقة تبلغ 100 كيلو إلكترون فولت، لتصل إلى سرعة حوالي 4% من سرعة الضوء.

على الرغم من أن النتائج واعدة، إلا أنه لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن يصبح اصطدام الميونات حقيقة واقعة، كما يقول هولمز. وتضيف قائلة إن هذا النهج سيحتاج إلى توسيع نطاقه لإنتاج حزم أضيق وأعلى كثافة.

قال كاميوكا إنه وزملاؤه يقومون بتطوير التكنولوجيا اللازمة لتسريع الميونات إلى 94% من سرعة الضوء، ويأملون في تحقيق ذلك بحلول عام 2028. ويقول: "هذا هو معلمنا التالي".

بالإضافة إلى بناء مصادم مستقبلي، يمكن للفيزيائيين استخدام حزم الميونات عالية الطاقة في تجارب تتجاوز النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، مثل القياسات الدقيقة للمغناطيسية الغامضة للميونات، والتي هي أقوى مما كان متوقعًا نظريًا، كما قال كاميوكا.

1. أريتوم، S. وآخرون. الطباعة المسبقة في https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

تحميل المراجع