Fysikere tæmmer grundlæggende muonpartikler i en nøjagtigt kontrolleret bjælke

Fysikere tæmmer grundlæggende muonpartikler i en nøjagtigt kontrolleret bjælke

For første gang har forskere fremskyndet muoner - de tungere, ustabile slægtninge til elektroner - i en tæt kontrolleret bjælke, hvilket bringer visionen om en muon -kollision et skridt tættere på virkeligheden.

Et team ved Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) i Tokai sigtede en laser mod en strøm af muoner for at bringe de hurtigt bevægende partikler til en næsten stilstand. Forskerne anvendte derefter et elektrisk felt for at fremskynde disse "afkølede" muoner til ca. 4% af lysets hastighed. Resultaterne, som endnu ikke er blevet peer-reviewet, blev offentliggjort den 15. oktober på Preprint Server ArXiv 1.

Denne præstation er et "stort skridt fremad" i den tilgang, der er nødvendig for at opnå en Muon Collider at bygge. En sådan collider kunne bruges til at foretage de ekstremt følsomme målinger, der er nødvendige for at afsløre nye fysiske fænomener. Det ville være mindre og potentielt billigere at bygge end andre partikelkollider, sagde Tova Holmes, en partikelfysiker ved University of Tennessee i Knoxville.

Muoner er kortvarige elementære partikler, der er næsten identiske med elektroner, men har mere end 200 gange deres masse. I løbet af det sidste årti har der været en stigende bevægelse mod en kompakt Muon-collider, der kunne konkurrere eller endda overskride de energier, der blev opnået af Giant Proton og Electron Colliders som den 27 kilometer lange store Hadron-collider ved CERN, Det Europæiske Particle Physics Laboratory nær Genève. En 10 kilometer lang muon-collider kunne producere partikler med så meget energi som dem fra en 90 kilometer lang protonmaskine, fordi muoner er elementære partikler, hvis hele energi går ind i hver kollision. I modsætning hertil forekommer protonkollisioner mellem de konstituerende kvarker.

Imidlertid er det ekstremt vanskeligt at fremskynde muoner, fordi de kun findes i ca. 2 mikrosekunder, før de konverteres til en elektron og to typer af Neutrinoer opløses. De bevæger sig også i forskellige retninger i forskellige hastigheder, hvilket gør dem vanskelige at temme i en smal, højintensiv jet. Selvom forskere har fremskyndet muoner før, er bjælkerne "meget divergerende", siger studieforfatter Shusei Kamioka, en partikelfysiker ved High Energy Accelerator Research Organization i Tsukuba, Japan. Dette gør bjælkerne for uforudsigelige til at blive brugt til følsomme målinger.

For at overvinde denne hindring skød Kamioka og hans kolleger en stråle af positivt ladede muoner, det antimaterielle modstykke til muoner, kaldet antimuoner, til silica-airgel-et svamplignende materiale, der ofte bruges som termisk isolering. Da de positive muoner kolliderede med elektroner i airgel, blev neutrale atomer af “muonium” dannet. Forskerne fyrede en laser mod disse atomer for at afbryde deres elektroner og gjorde dem tilbage til positive muoner, der næsten var frosne. Denne kølingsproces fik partiklernes hastigheder og retninger til at blive mere ensartede.

Forskerne brugte derefter et elektrisk felt til at fremskynde disse langsommere muoner til en energi på 100 kiloelektron volt og nåede en hastighed på ca. 4% af lysets hastighed.

Selvom resultaterne er lovende, er der stadig en lang vej at gå, før Muon -kollision bliver en realitet, siger Holmes. Fremgangsmåden skal skaleres op for at producere endnu smalere, højere intensitetsstråler, tilføjer hun.

Kamioka sagde, at han og hans kolleger udvikler den teknologi, der er nødvendig for at fremskynde muoner til 94% af lysets hastighed og håber at opnå dette i 2028. ”Dette er vores næste milepæl,” siger han.

Ud over at opbygge en fremtidig collider kunne fysikere bruge muonbjælker med høj energi i eksperimenter, der går ud over standardmodellen for partikelfysik, såsom præcise målinger af Muons 'mystiske magnetisme-hvilket er stærkere end teoretisk forudsagt, sagde Kamioka.

1. Aritome, S. et al. Fortryk på https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367 (2024).

Download referencer