Suche
Mein Konto
Natuurkundigen temmen fundamentele muondeeltjes tot een nauwkeurig gecontroleerde straal
Onderzoekers in Japan hebben voor het eerst onstabiele muonen versneld tot een nauwkeurig gecontroleerde straal, wat een mijlpaal markeert voor toekomstige muon-botsers.
Natuurkundigen temmen fundamentele muondeeltjes tot een nauwkeurig gecontroleerde straal
Voor het eerst hebben onderzoekers muonen – de zwaardere, onstabiele verwanten van elektronen – versneld in een strak gecontroleerde straal, waardoor de visie van een muonbotsing een stap dichter bij de realiteit komt.
Een team van het Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) in Tokai richtte een laser op een stroom muonen om de snel bewegende deeltjes bijna tot stilstand te brengen. De onderzoekers pasten vervolgens een elektrisch veld toe om deze ‘afgekoelde’ muonen te versnellen tot ongeveer 4% van de lichtsnelheid. De resultaten, die nog niet door vakgenoten zijn beoordeeld, zijn op 15 oktober gepubliceerd op de preprint-server arXiv 1.
Deze prestatie is een “grote stap voorwaarts” in de aanpak die nodig is om dit te bereiken Muon-botser bouwen. Zo'n botser zou kunnen worden gebruikt om de uiterst gevoelige metingen uit te voeren die nodig zijn om nieuwe fysische verschijnselen bloot te leggen. Het zou kleiner en potentieel goedkoper zijn om te bouwen dan andere deeltjesversneller, zei Tova Holmes, deeltjesfysicus aan de Universiteit van Tennessee in Knoxville.
Muonen zijn kortlevende elementaire deeltjes die vrijwel identiek zijn aan elektronen, maar meer dan 200 maal hun massa hebben. De afgelopen tien jaar is er steeds meer beweging ontstaan in de richting van een compacte muon-botser die zou kunnen wedijveren met de energieën van gigantische protonen- en elektronenversnellers, zoals de 27 kilometer lange Large Hadron Collider op CERN, het Europese deeltjesfysica-laboratorium nabij Genève, of deze zelfs zou kunnen overtreffen. Een 10 kilometer lange muonenbotser zou deeltjes kunnen produceren met evenveel energie als die van een 90 kilometer lange protonenmachine, omdat muonen elementaire deeltjes zijn waarvan de volledige energie in elke botsing terechtkomt. Daarentegen vinden protonbotsingen plaats tussen de samenstellende quarks.
Het versnellen van muonen is echter uiterst moeilijk omdat ze slechts ongeveer 2 microseconden bestaan voordat ze worden omgezet in een elektron en twee soorten Neutrino's desintegreren. Ze bewegen zich ook met verschillende snelheden in verschillende richtingen, waardoor ze moeilijk te temmen zijn in een smal straalvliegtuig met hoge intensiteit. Hoewel onderzoekers al eerder muonen hebben versneld, zijn de bundels ‘zeer uiteenlopend’, zegt co-auteur Shusei Kamioka, deeltjesfysicus bij de High Energy Accelerator Research Organization in Tsukuba, Japan. Dit maakt de bundels te onvoorspelbaar om te worden gebruikt voor gevoelige metingen.
Om deze hindernis te overwinnen, schoten Kamioka en zijn collega's een straal positief geladen muonen, de antimaterie-tegenhanger van muonen, antimuonen genaamd, in silica-aerogel - een sponsachtig materiaal dat vaak wordt gebruikt als thermische isolatie. Toen de positieve muonen in botsing kwamen met elektronen in de aerogel, werden neutrale atomen van ‘muonium’ gevormd. De onderzoekers vuurden een laser op deze atomen af om hun elektronen te scheiden, waardoor ze weer in positieve muonen veranderden die bijna bevroren waren. Dit koelproces zorgde ervoor dat de snelheden en richtingen van de deeltjes uniformer werden.
De onderzoekers gebruikten vervolgens een elektrisch veld om deze vertragende muonen te versnellen tot een energie van 100 kilo-elektronvolt, waarmee ze een snelheid bereikten van ongeveer 4% van de lichtsnelheid.
Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, is er nog een lange weg te gaan voordat botsingen tussen muonen werkelijkheid worden, zegt Holmes. De aanpak zou moeten worden opgeschaald om nog smallere stralen met een hogere intensiteit te produceren, voegt ze eraan toe.
Kamioka zei dat hij en zijn collega's de technologie ontwikkelen die nodig is om muonen te versnellen tot 94% van de lichtsnelheid en hopen dit in 2028 te bereiken. "Dit is onze volgende mijlpaal", zegt hij.
Naast het bouwen van een toekomstige botser, zouden natuurkundigen hoogenergetische muonenbundels kunnen gebruiken in experimenten die verder gaan dan het standaardmodel van de deeltjesfysica, zoals nauwkeurige metingen van het mysterieuze magnetisme van muonen – dat sterker is dan theoretisch voorspeld, zei Kamioka.
-
Aritome, S. et al. Voordruk op https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).