Fysikere tamer grunnleggende muonpartikler til en nøyaktig kontrollert bjelke

Fysikere tamer grunnleggende muonpartikler til en nøyaktig kontrollert bjelke

For første gang har forskere akselerert muoner - de tyngre, ustabile slektningene til elektroner - i en tett kontrollert bjelke, noe som gir visjonen om en Muon -kollisjon ett skritt nærmere virkeligheten.

Et team på Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) i Tokai siktet en laser mot en strøm av muoner for å bringe de raskt bevegelige partiklene til en nær stillhet. Forskerne anvendte deretter et elektrisk felt for å akselerere disse "avkjølte" muonene til omtrent 4% av lysets hastighet. Resultatene, som ennå ikke er fagfellevurdert, ble publisert 15. oktober på forhåndsprintserveren ARXIV 1.

Denne prestasjonen er et "stort skritt fremover" i tilnærmingen som trengs for å oppnå en Muon Collider å bygge. En slik kollider kan brukes til å gjøre de ekstremt følsomme målingene som er nødvendige for å avdekke nye fysiske fenomener. Det ville være mindre og potensielt billigere å bygge enn andre partikkelkollider, sa Tova Holmes, en partikkelfysiker ved University of Tennessee i Knoxville.

Muoner er kortvarige elementære partikler som er nesten identiske med elektroner, men har mer enn 200 ganger massen. I løpet av det siste tiåret har det vært økende bevegelse mot en kompakt Muon Collider som kan konkurrere eller til og med overskride energiene oppnådd av gigantiske proton- og elektronkollider som den 27 kilometer lange store Hadron Collider ved CERN, European Particle Physics Laboratory nær Genève. En 10 kilometer lang Muon-kollider kunne produsere partikler med like mye energi som de fra en 90 kilometer lang protongamaskin, fordi muoner er elementære partikler hvis hele energien går inn i hver kollisjon. Derimot oppstår protonkollisjoner mellom de konstituerende kvarkene.

Imidlertid er akselererende muoner ekstremt vanskelig fordi de bare eksisterer for omtrent 2 mikrosekunder før de konverterer til et elektron og to typer av Nøytrinoer gå i oppløsning. De beveger seg også i forskjellige retninger i forskjellige hastigheter, noe som gjør dem vanskelige å temme til en smal, høyintensiv jet. Selv om forskere har akselerert muoner før, er bjelkene "veldig divergerende," sier studieforfatter Shusei Kamioka, en partikkelfysiker ved High Energy Accelerator Research Organization i Tsukuba, Japan. Dette gjør bjelkene for uforutsigbare til å brukes til sensitive målinger.

For å overvinne dette hinderet, skjøt Kamioka og kollegene en bjelke med positivt ladede muoner, antimaterøren av muoner, kalt antimuoner, til silisiumdioksyd-et svamplignende materiale som ofte ble brukt som termisk isolasjon. Da de positive muonene kolliderte med elektroner i luftgel, ble nøytrale atomer av "muonium" dannet. Forskerne fyrte en laser på disse atomene for å skille elektronene sine, og gjorde dem tilbake til positive muoner som var nesten frosset. Denne kjøleprosessen fikk partiklenees hastigheter og retninger til å bli mer ensartede.

Forskerne brukte deretter et elektrisk felt for å akselerere disse bremsende muonene til en energi på 100 kiloelektron volt, og nådde en hastighet på omtrent 4% av lysets hastighet.

Selv om resultatene er lovende, er det fortsatt en lang vei å gå før Muon -kollisjon blir en realitet, sier Holmes. Tilnærmingen må skaleres opp for å produsere enda smalere, bjelker med høyere intensitet, legger hun til.

Kamioka sa at han og kollegene utvikler teknologien som er nødvendig for å akselerere muoner til 94% av lysets hastighet og håper å oppnå dette innen 2028. "Dette er vår neste milepæl," sier han.

I tillegg til å bygge en fremtidig kollider, kunne fysikere bruke muonstråler med høy energi i eksperimenter som går utover standardmodellen for partikkelfysikk, for eksempel presise målinger av Muons 'mystiske magnetisme-som er sterkere enn teoretisk forutsagt, sa Kamioka.

1. Aritome, S. et al. Forhåndtrykk på https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367 (2024).

Last ned referanser