Fyysikot kesyttävät perusmyonipartikkeleita tarkasti ohjatuksi säteeksi

Fyysikot kesyttävät perusmyonipartikkeleita tarkasti ohjatuksi säteeksi

Ensimmäistä kertaa tutkijat ovat kiihdyttäneet myoneja - elektronien raskaampia, epävakaita sukulaisia ​​- tiukasti kontrolloidussa säteessä, mikä tuo näkemyksen myonin törmäyksestä askeleen lähemmäksi todellisuutta.

Tokaissa sijaitsevan Japan Proton Accelerator Research Complexin (J-PARC) tiimi kohdistai laserin myonivirtaan saadakseen nopeasti liikkuvat hiukkaset lähes pysähtymään. Sitten tutkijat käyttivät sähkökenttää kiihdyttääkseen nämä "jäähdytetyt" myonit noin 4 prosenttiin valon nopeudesta. Tulokset, joita ei ole vielä vertaisarvioitu, julkaistiin 15. lokakuuta preprint-palvelimella arXiv 1.

Tämä saavutus on "suuri askel eteenpäin" lähestymistavassa, jota tarvitaan sen saavuttamiseen Muonin törmäyskone rakentaa. Tällaista törmäyslaitetta voitaisiin käyttää uusien fysikaalisten ilmiöiden paljastamiseen tarvittavien erittäin herkkien mittausten tekemiseen. Se olisi pienempi ja mahdollisesti halvempi rakentaa kuin muut hiukkastörmäimet, sanoi Tova Holmes, hiukkasfyysikko Tennesseen yliopistosta Knoxvillessä.

Muonit ovat lyhytikäisiä alkuainehiukkasia, jotka ovat lähes identtisiä elektronien kanssa, mutta joiden massa on yli 200 kertaa suurempi. Kuluneen vuosikymmenen aikana on lisääntynyt liike kohti kompaktia myonitörmätintä, joka voisi kilpailla tai jopa ylittää jättimäisten protoni- ja elektronitörmättimien, kuten CERNin lähellä sijaitsevan eurooppalaisen hiukkasfysiikan laboratorion, 27 kilometriä pitkä Large Hadron Collider, saavuttamat energiat. 10 kilometriä pitkä myonin törmäyskone voisi tuottaa hiukkasia, joilla on yhtä paljon energiaa kuin 90 kilometriä pitkän protonikoneen hiukkaset, koska myonit ovat alkuainehiukkasia, joiden koko energia menee jokaiseen törmäykseen. Sitä vastoin muodostuu kvarkkien välillä protonien törmäyksiä.

Muonien kiihdyttäminen on kuitenkin erittäin vaikeaa, koska ne ovat olemassa vain noin 2 mikrosekuntia ennen kuin ne muuttuvat elektroniksi ja kahdeksi Neutriinot hajota. Ne liikkuvat myös eri suuntiin eri nopeuksilla, mikä tekee niistä vaikeata kesyttää kapeaksi, voimakkaaksi suihkuksi. Vaikka tutkijat ovat kiihdyttäneet myoneja aiemmin, säteet ovat "erittäin erilaisia", sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Shusei Kamioka, hiukkasfyysikko High Energy Accelerator Research Organizationista Tsukubassa, Japanissa. Tämä tekee säteistä liian arvaamattomia käytettäväksi herkissä mittauksissa.

Tämän esteen voittamiseksi Kamioka ja hänen kollegansa ampuivat säteen positiivisesti varautuneita myoneja, myonien antimateriavastineita, joita kutsutaan antimuoneiksi, silikaaerogeeliin - sienimäiseen materiaaliin, jota usein käytetään lämmöneristeenä. Kun positiiviset myonit törmäsivät aerogeelin elektroneihin, muodostui neutraaleja "muoniumin" atomeja. Tutkijat ampuivat laserilla näitä atomeja katkaisemaan niiden elektronit ja muuttaen ne takaisin positiivisiksi myoneiksi, jotka olivat melkein jäässä. Tämä jäähdytysprosessi sai hiukkasten nopeudet ja suunnat tasaisemmiksi.

Sitten tutkijat käyttivät sähkökenttää kiihdyttämään näitä hidastuvia myoneja 100 kiloelektronivoltin energiaan saavuttaen noin 4 % valon nopeudesta.

Vaikka tulokset ovat lupaavia, on vielä pitkä matka kuljettavana ennen kuin myonien törmäys tulee todeksi, Holmes sanoo. Lähestymistapaa olisi skaalattava entistä kapeampien, korkeamman intensiteetin säteiden tuottamiseksi, hän lisää.

Kamioka sanoi, että hän ja hänen kollegansa kehittävät tekniikkaa, jota tarvitaan kiihdyttämään myonit 94 prosenttiin valon nopeudesta, ja toivovat saavuttavansa tämän vuoteen 2028 mennessä. "Tämä on seuraava virstanpylväs", hän sanoo.

Tulevan törmäimen rakentamisen lisäksi fyysikot voisivat käyttää korkeaenergisiä myonisäteitä kokeissa, jotka ylittävät hiukkasfysiikan standardimallin, kuten tarkat mittaukset myonien salaperäisestä magnetismista - mikä on teoreettisesti ennustettua vahvempaa, Kamioka sanoi.

1. Aritome, S. et ai. Preprint klo https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

Lataa viitteitä