I fisici domano le particelle fondamentali dei muoni in un raggio controllato con precisione

I fisici domano le particelle fondamentali dei muoni in un raggio controllato con precisione

Per la prima volta, i ricercatori hanno accelerato i muoni – i parenti più pesanti e instabili degli elettroni – in un raggio strettamente controllato, avvicinando di più alla realtà la visione di una collisione di muoni.

Un team del Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) di Tokai ha puntato un laser verso un flusso di muoni per portare le particelle in rapido movimento quasi all'arresto. I ricercatori hanno poi applicato un campo elettrico per accelerare questi muoni “raffreddati” a circa il 4% della velocità della luce. I risultati, che non sono ancora stati sottoposti a peer review, sono stati pubblicati il ​​15 ottobre sul server di prestampa arXiv 1.

Questo risultato rappresenta un “grande passo avanti” nell’approccio necessario per raggiungerlo Collisore di muoni costruire. Un collisore di questo tipo potrebbe essere utilizzato per effettuare misurazioni estremamente sensibili necessarie per scoprire nuovi fenomeni fisici. Sarebbe più piccolo e potenzialmente più economico da costruire rispetto ad altri collisori di particelle, ha affermato Tova Holmes, fisica delle particelle presso l’Università del Tennessee a Knoxville.

I muoni sono particelle elementari di breve durata che sono quasi identiche agli elettroni ma hanno più di 200 volte la loro massa. Negli ultimi dieci anni, c’è stato un crescente movimento verso un collisore di muoni compatto che potrebbe rivaleggiare o addirittura superare le energie raggiunte dai giganteschi collisori di protoni ed elettroni come il Large Hadron Collider, lungo 27 chilometri, al CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle vicino a Ginevra. Un collisore di muoni lungo 10 chilometri potrebbe produrre particelle con la stessa energia di quelle di una macchina di protoni lunga 90 chilometri, perché i muoni sono particelle elementari la cui intera energia va in ogni collisione. Al contrario, le collisioni di protoni si verificano tra i quark costituenti.

Tuttavia, accelerare i muoni è estremamente difficile perché esistono solo per circa 2 microsecondi prima di convertirsi in un elettrone e due tipi di elettroni. Neutrini disintegrarsi. Inoltre si muovono in direzioni diverse a velocità diverse, il che li rende difficili da addomesticare in un getto stretto e ad alta intensità. Sebbene i ricercatori abbiano già accelerato i muoni in precedenza, i raggi sono "molto divergenti", afferma il coautore dello studio Shusei Kamioka, fisico delle particelle presso la High Energy Accelerator Research Organization di Tsukuba, in Giappone. Ciò rende i raggi troppo imprevedibili per essere utilizzati per misurazioni sensibili.

Per superare questo ostacolo, Kamioka e i suoi colleghi hanno sparato un raggio di muoni caricati positivamente, la controparte antimateria dei muoni, chiamati antimuoni, nell’aerogel di silice, un materiale simile a una spugna spesso usato come isolamento termico. Quando i muoni positivi entrarono in collisione con gli elettroni nell’aerogel, si formarono atomi neutri di “muonio”. I ricercatori hanno sparato un laser su questi atomi per separare i loro elettroni, trasformandoli di nuovo in muoni positivi che erano quasi congelati. Questo processo di raffreddamento ha fatto sì che le velocità e le direzioni delle particelle diventassero più uniformi.

I ricercatori hanno quindi utilizzato un campo elettrico per accelerare questi muoni rallentanti fino a un’energia di 100 kiloelettronvolt, raggiungendo una velocità pari a circa il 4% della velocità della luce.

Anche se i risultati sono promettenti, c'è ancora molta strada da fare prima che la collisione tra muoni diventi realtà, dice Holmes. L’approccio dovrebbe essere ampliato per produrre fasci ancora più stretti e di maggiore intensità, aggiunge.

Kamioka ha affermato che lui e i suoi colleghi stanno sviluppando la tecnologia necessaria per accelerare i muoni al 94% della velocità della luce e sperano di raggiungere questo obiettivo entro il 2028. "Questa è la nostra prossima pietra miliare", afferma.

Oltre a costruire un futuro collisore, i fisici potrebbero utilizzare fasci di muoni ad alta energia in esperimenti che vanno oltre il modello standard della fisica delle particelle, come misurazioni precise del misterioso magnetismo dei muoni, che è più forte di quanto previsto teoricamente, ha detto Kamioka.

1. Aritome, S. et al. Prestampa a https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

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