Fiziķi pieradina fundamentālās miona daļiņas precīzi kontrolētā starā

Fiziķi pieradina fundamentālās miona daļiņas precīzi kontrolētā starā

Pirmo reizi pētnieki ir paātrinājuši muonus - smagākos, nestabilākos elektronu radiniekus - stingri kontrolētā starā, pietuvinot mionu sadursmes vīziju par vienu soli tuvāk realitātei.

Japānas protonu paātrinātāja pētniecības kompleksa (J-PARC) komanda Tokai mērķēja ar lāzeru pret mionu plūsmu, lai ātri kustīgās daļiņas gandrīz apstātos. Pēc tam pētnieki izmantoja elektrisko lauku, lai paātrinātu šos "dzesētos" mionus līdz aptuveni 4% no gaismas ātruma. Rezultāti, kas vēl nav salīdzinoši pārskatīti, tika publicēti 15. oktobrī pirmsdrukas serverī arXiv 1.

Šis sasniegums ir “liels solis uz priekšu” pieejā, kas nepieciešama tā sasniegšanai Muonu sadursme būvēt. Šādu paātrinātāju varētu izmantot, lai veiktu ārkārtīgi jutīgus mērījumus, kas nepieciešami jaunu fizisko parādību atklāšanai. Tas būtu mazāks un potenciāli lētāks būvniecībā nekā citi daļiņu sadursmes līdzekļi, sacīja Tova Holmsa, daļiņu fiziķe no Tenesī universitātes Noksvilā.

Mūoni ir īslaicīgas elementārdaļiņas, kas ir gandrīz identiskas elektroniem, bet kuru masa ir vairāk nekā 200 reizes lielāka. Pēdējo desmit gadu laikā ir vērojama arvien lielāka kustība uz kompaktu mionu paātrinātāju, kas varētu konkurēt vai pat pārsniegt enerģiju, ko iegūst milzu protonu un elektronu paātrinātāji, piemēram, 27 kilometrus garais lielais hadronu paātrinātājs CERN, Eiropas daļiņu fizikas laboratorijā netālu no Ženēvas. 10 kilometrus garš mionu paātrinātājs varētu radīt daļiņas ar tikpat lielu enerģiju kā no 90 kilometrus garas protonu mašīnas, jo mioni ir elementāras daļiņas, kuru visa enerģija nonāk katrā sadursmē. Turpretim protonu sadursmes notiek starp veidojošajiem kvarkiem.

Tomēr mionu paātrināšana ir ārkārtīgi sarežģīta, jo tie pastāv tikai aptuveni 2 mikrosekundes, pirms pārvēršas par elektronu un divu veidu Neitrīno sadalīties. Viņi arī pārvietojas dažādos virzienos ar atšķirīgu ātrumu, padarot tos grūti pieradināt šaurā, augstas intensitātes strūklā. Lai gan pētnieki jau iepriekš ir paātrinājuši mūonus, stari ir "ļoti atšķirīgi", saka pētījuma līdzautors Šusejs Kamioka, daļiņu fiziķis Augstās enerģijas paātrinātāju pētniecības organizācijā Tsukubā, Japānā. Tas padara starus pārāk neparedzamus, lai tos izmantotu jutīgiem mērījumiem.

Lai pārvarētu šo šķērsli, Kamioka un viņa kolēģi iešāva pozitīvi lādētu mūonu staru, kas ir mionu antimateriāls ekvivalents, ko sauc par antimuoniem, silīcija aerogelā - sūklim līdzīgā materiālā, ko bieži izmanto kā siltumizolāciju. Pozitīviem mioniem saduroties ar elektroniem aerogelā, izveidojās neitrālie “muonija” atomi. Pētnieki izšāva lāzeru uz šiem atomiem, lai atdalītu to elektronus, pārvēršot tos atpakaļ pozitīvos mionos, kas bija gandrīz sasaluši. Šī dzesēšanas procesa rezultātā daļiņu ātrums un virzieni kļuva vienmērīgāki.

Pēc tam pētnieki izmantoja elektrisko lauku, lai paātrinātu šos palēninošos mionus līdz 100 kiloelektronu voltu enerģijai, sasniedzot ātrumu aptuveni 4% no gaismas ātruma.

Lai gan rezultāti ir daudzsološi, vēl ir ejams tāls ceļš, līdz muonu sadursme kļūs par realitāti, saka Holms. Viņa piebilst, ka pieeja būtu jāpalielina, lai iegūtu vēl šaurākus, augstākas intensitātes starus.

Kamioka teica, ka viņš un viņa kolēģi izstrādā tehnoloģiju, kas nepieciešama, lai paātrinātu muonus līdz 94% no gaismas ātruma, un cer to sasniegt līdz 2028. gadam. "Šis ir mūsu nākamais pavērsiens," viņš saka.

Papildus nākotnes paātrinātāja izveidei fiziķi varētu izmantot augstas enerģijas mūonu starus eksperimentos, kas pārsniedz daļiņu fizikas standarta modeli, piemēram, precīzos mūonu noslēpumainā magnētisma mērījumos, kas ir spēcīgāks, nekā teorētiski prognozēts, sacīja Kamioka.

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

Lejupielādēt atsauces