Los físicos domestican partículas de muones fundamentales en un haz controlado con precisión

Los físicos domestican partículas de muones fundamentales en un haz controlado con precisión

Por primera vez, los investigadores han acelerado muones (los parientes más pesados ​​e inestables de los electrones) en un haz estrictamente controlado, acercando la visión de una colisión de muones un paso más a la realidad.

Un equipo del Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC) en Tokai apuntó con un láser a una corriente de muones para detener las partículas que se mueven rápidamente. Luego, los investigadores aplicaron un campo eléctrico para acelerar estos muones "enfriados" a aproximadamente el 4% de la velocidad de la luz. Los resultados, que aún no han sido revisados ​​por pares, se publicaron el 15 de octubre en el servidor de preimpresión arXiv. 1.

Este logro es un “gran paso adelante” en el enfoque necesario para lograr uno colisionador de muones para construir. Un colisionador de este tipo podría utilizarse para realizar mediciones extremadamente sensibles necesarias para descubrir nuevos fenómenos físicos. Sería más pequeño y potencialmente más barato de construir que otros colisionadores de partículas, dijo Tova Holmes, física de partículas de la Universidad de Tennessee en Knoxville.

Los muones son partículas elementales de vida corta, casi idénticas a los electrones pero que tienen más de 200 veces su masa. Durante la última década, ha habido un movimiento creciente hacia un colisionador compacto de muones que podría rivalizar o incluso superar las energías logradas por colisionadores gigantes de protones y electrones, como el Gran Colisionador de Hadrones de 27 kilómetros de largo del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra. Un colisionador de muones de 10 kilómetros de largo podría producir partículas con tanta energía como las de una máquina de protones de 90 kilómetros de largo, porque los muones son partículas elementales cuya energía entera se utiliza en cada colisión. Por el contrario, se producen colisiones de protones entre los quarks constituyentes.

Sin embargo, acelerar los muones es extremadamente difícil porque sólo existen durante unos 2 microsegundos antes de convertirse en un electrón y dos tipos de Neutrinos desintegrarse. También se mueven en diferentes direcciones a diferentes velocidades, lo que hace difícil domesticarlos y convertirlos en un chorro estrecho y de alta intensidad. Aunque los investigadores han acelerado muones antes, los haces son "muy divergentes", dice el coautor del estudio Shusei Kamioka, físico de partículas de la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía en Tsukuba, Japón. Esto hace que los haces sean demasiado impredecibles para utilizarlos en mediciones sensibles.

Para superar este obstáculo, Kamioka y sus colegas dispararon un haz de muones cargados positivamente, la contraparte de antimateria de los muones, llamados antimuones, en aerogel de sílice, un material similar a una esponja que a menudo se utiliza como aislamiento térmico. Cuando los muones positivos chocaron con los electrones del aerogel, se formaron átomos neutros de "muonio". Los investigadores dispararon un láser a estos átomos para cortar sus electrones, convirtiéndolos nuevamente en muones positivos que estaban casi congelados. Este proceso de enfriamiento hizo que las velocidades y direcciones de las partículas se volvieran más uniformes.

Luego, los investigadores utilizaron un campo eléctrico para acelerar estos muones que se desaceleraban hasta una energía de 100 kiloelectrones voltios, alcanzando una velocidad de aproximadamente el 4% de la velocidad de la luz.

Aunque los resultados son prometedores, aún queda un largo camino por recorrer antes de que la colisión de muones se convierta en una realidad, afirma Holmes. El enfoque debería ampliarse para producir haces aún más estrechos y de mayor intensidad, añade.

Kamioka dijo que él y sus colegas están desarrollando la tecnología necesaria para acelerar los muones al 94% de la velocidad de la luz y esperan lograrlo para 2028. "Este es nuestro próximo hito", dice.

Además de construir un futuro colisionador, los físicos podrían utilizar haces de muones de alta energía en experimentos que vayan más allá del modelo estándar de física de partículas, como mediciones precisas del misterioso magnetismo de los muones, que es más fuerte de lo que se predice teóricamente, dijo Kamioka.

1. Aritome, S. y col. Preimpresión en https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

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