Fizičari ukroćuju osnovne mionske čestice u precizno kontrolirani snop

Fizičari ukroćuju osnovne mionske čestice u precizno kontrolirani snop

Po prvi put, istraživači su ubrzali mione - teže, nestabilne rođake elektrona - u strogo kontroliranom snopu, dovodeći viziju sudara miona korak bliže stvarnosti.

Tim iz Japanskog istraživačkog kompleksa protonskog akceleratora (J-PARC) u Tokaiu usmjerio je laser na struju miona kako bi čestice koje se brzo kreću gotovo zaustavile. Istraživači su zatim primijenili električno polje kako bi ubrzali te "ohlađene" mione na oko 4% brzine svjetlosti. Rezultati, koji još nisu recenzirani, objavljeni su 15. listopada na poslužitelju za pretisak arXiv 1.

Ovo postignuće je "veliki korak naprijed" u pristupu potrebnom za njegovo postizanje Mionski sudarač graditi. Takav sudarač mogao bi se koristiti za iznimno osjetljiva mjerenja potrebna za otkrivanje novih fizičkih fenomena. Bio bi manji i potencijalno jeftiniji za izgradnju od drugih sudarača čestica, rekla je Tova Holmes, fizičarka čestica sa Sveučilišta Tennessee u Knoxvilleu.

Mioni su kratkotrajne elementarne čestice koje su gotovo identične elektronima, ali imaju više od 200 puta veću masu od njih. Tijekom prošlog desetljeća sve je više kretanja prema kompaktnom mionskom sudaraču koji bi se mogao mjeriti ili čak nadmašiti energije koje postižu ogromni protonski i elektronski sudarači poput 27 kilometara dugog Velikog hadronskog sudarača u CERN-u, europskom laboratoriju za fiziku čestica blizu Ženeve. Mionski sudarač dug 10 kilometara mogao bi proizvesti čestice s jednakom energijom kao one iz protonskog stroja dugog 90 kilometara, jer su mioni elementarne čestice čija cijela energija odlazi na svaki sudar. Nasuprot tome, do sudara protona dolazi između sastavnih kvarkova.

Međutim, ubrzavanje miona je izuzetno teško jer oni postoje samo oko 2 mikrosekunde prije nego što se pretvore u elektron i dvije vrste Neutrini raspasti se. Također se kreću u različitim smjerovima različitim brzinama, zbog čega ih je teško ukrotiti u uzak mlaz visokog intenziteta. Iako su istraživači i prije ubrzavali mione, zrake su "vrlo divergentne", kaže koautor studije Shusei Kamioka, fizičar čestica u Organizaciji za istraživanje akceleratora visoke energije u Tsukubi, Japan. Zbog toga su zrake previše nepredvidljive da bi se mogle koristiti za osjetljiva mjerenja.

Kako bi prevladali ovu prepreku, Kamioka i njegovi kolege ispalili su snop pozitivno nabijenih miona, antimaterijskog pandana miona, zvanih antimuoni, u silikagel aerogel — spužvasti materijal koji se često koristi kao toplinska izolacija. Kada su se pozitivni mioni sudarili s elektronima u aerogelu, formirani su neutralni atomi "muonija". Istraživači su ispalili laser na te atome kako bi odvojili njihove elektrone, pretvarajući ih natrag u pozitivne mione koji su bili gotovo zamrznuti. Ovaj proces hlađenja uzrokovao je da brzine i smjerovi čestica postanu ujednačeniji.

Istraživači su zatim upotrijebili električno polje kako bi ubrzali te usporavajuće mione do energije od 100 kiloelektron volti, dostižući brzinu od oko 4% brzine svjetlosti.

Iako su rezultati obećavajući, još je dalek put prije nego što sudar miona postane stvarnost, kaže Holmes. Pristup bi trebalo proširiti kako bi se proizvele još uže zrake većeg intenziteta, dodaje ona.

Kamioka je rekao da on i njegovi kolege razvijaju tehnologiju potrebnu za ubrzanje miona do 94% brzine svjetlosti i da se nadaju da će to postići do 2028. "Ovo je naša sljedeća prekretnica", kaže on.

Uz izgradnju budućeg sudarača, fizičari bi mogli koristiti mionske zrake visoke energije u eksperimentima koji nadilaze standardni model fizike čestica, kao što su precizna mjerenja tajanstvenog magnetizma miona — koji je jači od teoretski predviđenog, rekao je Kamioka.

1. Aritome, S. i sur. Pretisak na https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

Preuzmite reference