Οι φυσικοί δαμάσκουν τα θεμελιώδη σωματίδια του μιονίου σε μια ακριβή ελεγχόμενη δέσμη

Οι φυσικοί δαμάσκουν τα θεμελιώδη σωματίδια του μιονίου σε μια ακριβή ελεγχόμενη δέσμη

Για πρώτη φορά, οι ερευνητές έχουν επιταχύνει τα μιόνια - τους βαρύτερους, ασταθείς συγγενείς των ηλεκτρονίων - σε μια σφιχτά ελεγχόμενη δέσμη, φέρνοντας το όραμα μιας σύγκρουσης μιονίου ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.

Μια ομάδα στο Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) στο Tokai στόχευε ένα λέιζερ σε ένα ρεύμα μιονίων για να φέρει τα ταχέως μεταβαλλόμενα σωματίδια σε σχεδόν στάση. Οι ερευνητές εφάρμοσαν τότε ένα ηλεκτρικό πεδίο για να επιταχύνουν αυτά τα "ψύκτρα" μιονόν σε περίπου το 4% της ταχύτητας του φωτός. Τα αποτελέσματα, τα οποία δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί από ομότιμους, δημοσιεύθηκαν στις 15 Οκτωβρίου στον διακομιστή Preprint Arxiv 1.

Αυτό το επίτευγμα είναι ένα "μεγάλο βήμα προς τα εμπρός" στην προσέγγιση που απαιτείται για την επίτευξη ενός Επιτρόπαιος να χτίσει. Ένας τέτοιος επιθεωρητής θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει τις εξαιρετικά ευαίσθητες μετρήσεις που απαιτούνται για την αποκάλυψη νέων φυσικών φαινομένων. Θα ήταν μικρότερο και ενδεχομένως φθηνότερο να κατασκευαστεί από άλλους colders σωματιδίων, είπε ο Tova Holmes, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Tennessee στο Knoxville.

Τα μιόνια είναι βραχύβια στοιχειώδη σωματίδια που είναι σχεδόν πανομοιότυπα με τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν περισσότερες από 200 φορές τη μάζα τους. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, υπήρξε αυξανόμενη κίνηση προς έναν συμπαγή επιθεωρητή μιονίου που θα μπορούσε να ανταγωνιστεί ή ακόμη και να υπερβεί τις ενέργειες που επιτυγχάνονται από γιγαντιαίες πρωτονιονιές και ηλεκτρονικά συνολικά, όπως ο μεγάλος επιθεωρητής Hadron μήκους 27 χιλιομέτρων στο CERN, το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικών Φορίων κοντά στη Γενεύη. Ένας επιθεωρητής μιονίου μήκους 10 χιλιομέτρων θα μπορούσε να παράγει σωματίδια με τόση ενέργεια με εκείνα από μια μηχανή πρωτονίων μήκους 90 χιλιομέτρων, επειδή τα μιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια των οποίων η ενέργεια πηγαίνει σε κάθε σύγκρουση. Αντίθετα, συμβαίνουν συγκρούσεις πρωτονίων μεταξύ των συστατικών κουάρκων.

Ωστόσο, η επιτάχυνση των μιονίων είναι εξαιρετικά δύσκολη επειδή υπάρχουν μόνο για περίπου 2 μικροδευτερόλεπτα πριν μετατρέψετε σε ένα ηλεκτρόνιο και δύο τύπους Νετρίνια αποσυνθέτω. Επίσης, κινούνται προς διαφορετικές κατευθύνσεις σε διαφορετικές ταχύτητες, καθιστώντας τους δύσκολο να δαμάσουν σε ένα στενό πίδακα υψηλής έντασης. Παρόλο που οι ερευνητές έχουν επιταχύνει τα μιόνια πριν, οι δοκοί είναι "πολύ αποκλίνουσες", λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Shusei Kamioka, φυσικός σωματιδίων στον οργανισμό ερευνών υψηλής ενέργειας επιταχυντής στην Tsukuba της Ιαπωνίας. Αυτό καθιστά τα δοκάρια πολύ απρόβλεπτα για να χρησιμοποιηθούν για ευαίσθητες μετρήσεις.

Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, ο Kamioka και οι συνάδελφοί του πυροβόλησαν μια δέσμη θετικά φορτισμένων μιονίων, το αντίστοιχο αντιμονοπωλείων των μιονίων, που ονομάζεται Αντιμουόνια, σε αεροπορική πυριτίνα-ένα υλικό που μοιάζει με σφουγγάρι που χρησιμοποιείται συχνά ως θερμική μόνωση. Όταν τα θετικά μιόνια συγκρούστηκαν με ηλεκτρόνια στην αεροπορική airgel, σχηματίστηκαν ουδέτερα άτομα του "μιονίου". Οι ερευνητές πυροβόλησαν ένα λέιζερ σε αυτά τα άτομα για να αποσυνδέσουν τα ηλεκτρόνια τους, μετατρέποντάς τα πίσω σε θετικά μιονόνια που ήταν σχεδόν παγωμένα. Αυτή η διαδικασία ψύξης προκάλεσε τις ταχύτητες και τις κατευθύνσεις των σωματιδίων να γίνουν πιο ομοιόμορφες.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έπειτα ένα ηλεκτρικό πεδίο για να επιταχύνουν αυτά τα επιβράδυνση μιονίων σε ενέργεια 100 kiloelectron volts, φθάνοντας σε ταχύτητα περίπου 4% της ταχύτητας του φωτός.

Αν και τα αποτελέσματα είναι πολλά υποσχόμενα, εξακολουθεί να υπάρχει πολύς δρόμος πριν από τη σύγκρουση του Muon να γίνει πραγματικότητα, λέει ο Χολμς. Η προσέγγιση θα πρέπει να κλιμακωθεί για να παράγει ακόμη στενότερα δοκάρια υψηλότερης έντασης, προσθέτει.

Ο Kamioka δήλωσε ότι αυτός και οι συνάδελφοί του αναπτύσσουν την τεχνολογία που απαιτείται για την επιτάχυνση των μιονίων στο 94% της ταχύτητας του φωτός και ελπίζουμε να το επιτύχουμε μέχρι το 2028. "Αυτό είναι το επόμενο ορόσημο", λέει.

Εκτός από την οικοδόμηση ενός μελλοντικού επιταχυνόμενου, οι φυσικοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν δοκούς μιονίου υψηλής ενέργειας σε πειράματα που υπερβαίνουν το πρότυπο μοντέλο φυσικής σωματιδίων, όπως ακριβείς μετρήσεις του μυστηριώδους μαγνητισμού των μιονίων-που είναι ισχυρότερη από την θεωρητικά προβλεπόμενη, δήλωσε ο Kamioka.

1. Aritome, S. et αϊ. Προτείνω https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367 (2024).

Αναφορές λήψης