Fizycy oswajają podstawowe cząstki mionów w precyzyjnie kontrolowaną wiązkę

Fizycy oswajają podstawowe cząstki mionów w precyzyjnie kontrolowaną wiązkę

Po raz pierwszy badacze przyspieszyli miony – cięższe, niestabilne krewne elektronów – w ściśle kontrolowanej wiązce, co przybliżyło wizję zderzenia mionów do rzeczywistości.

Zespół z Japońskiego Kompleksu Badawczego Akceleratora Protonów (J-PARC) w Tokai wycelował laser w strumień mionów, aby niemal zatrzymać szybko poruszające się cząstki. Następnie badacze zastosowali pole elektryczne, aby przyspieszyć te „schłodzone” miony do około 4% prędkości światła. Wyniki, które nie zostały jeszcze zrecenzowane, zostały opublikowane 15 października na serwerze preprint arXiv 1.

To osiągnięcie stanowi „duży krok naprzód” w podejściu niezbędnym do jego osiągnięcia Zderzacz mionowy budować. Taki zderzacz mógłby zostać wykorzystany do przeprowadzenia niezwykle czułych pomiarów potrzebnych do odkrycia nowych zjawisk fizycznych. Byłby mniejszy i potencjalnie tańszy w budowie niż inne zderzacze cząstek, twierdzi Tova Holmes, fizyk cząstek elementarnych na Uniwersytecie Tennessee w Knoxville.

Miony to krótkotrwałe cząstki elementarne, które są prawie identyczne z elektronami, ale mają masę ponad 200 razy większą. W ciągu ostatniej dekady nastąpił coraz większy ruch w kierunku kompaktowego zderzacza mionów, który mógłby konkurować lub nawet przekraczać energie osiągane przez gigantyczne zderzacze protonów i elektronów, takie jak 27-kilometrowy Wielki Zderzacz Hadronów w CERN, europejskim laboratorium fizyki cząstek elementarnych pod Genewą. Zderzacz mionów o długości 10 km mógłby wytworzyć cząstki o takiej samej energii, jak cząstki wytworzone przez maszynę protonową o długości 90 km, ponieważ miony to cząstki elementarne, których cała energia jest zużywana podczas każdego zderzenia. Natomiast zderzenia protonów zachodzą pomiędzy kwarkami składowymi.

Jednakże przyspieszanie mionów jest niezwykle trudne, ponieważ istnieją one tylko przez około 2 mikrosekundy, zanim przekształcą się w elektron i dwa rodzaje Neutrina rozpadać się. Poruszają się także w różnych kierunkach z różnymi prędkościami, co utrudnia ich oswojenie w wąski strumień o dużej intensywności. Chociaż badacze przyspieszali już miony, wiązki są „bardzo rozbieżne” – mówi współautor badania Shusei Kamioka, fizyk cząstek elementarnych w Organizacji Badań nad Akceleratorami Wysokiej Energii w Tsukuba w Japonii. To sprawia, że ​​wiązki są zbyt nieprzewidywalne, aby można je było stosować do czułych pomiarów.

Aby pokonać tę przeszkodę, Kamioka i jego współpracownicy wstrzelili wiązkę dodatnio naładowanych mionów, antymaterii odpowiednika mionów, zwanych antymionami, do aerożelu krzemionkowego — materiału przypominającego gąbkę, często używanego jako izolacja termiczna. Kiedy dodatnie miony zderzyły się z elektronami w aerożelu, powstały obojętne atomy „monu”. Naukowcy wystrzelili laser w te atomy, aby odciąć ich elektrony i przekształcić je z powrotem w dodatnie miony, które prawie zamarzły. Ten proces chłodzenia spowodował, że prędkości i kierunki cząstek stały się bardziej jednolite.

Następnie badacze wykorzystali pole elektryczne do przyspieszenia tych spowalniających mionów do energii 100 kiloelektronowoltów, osiągając prędkość około 4% prędkości światła.

Chociaż wyniki są obiecujące, przed zderzeniem mionów jeszcze długa droga, mówi Holmes. Należy zwiększyć skalę tego podejścia, aby uzyskać jeszcze węższe wiązki o większej intensywności – dodaje.

Kamioka powiedział, że on i jego koledzy opracowują technologię potrzebną do przyspieszania mionów do 94% prędkości światła i mają nadzieję osiągnąć to do 2028 r. „To nasz kolejny kamień milowy” – mówi.

Oprócz zbudowania przyszłego zderzacza fizycy mogliby wykorzystać wysokoenergetyczne wiązki mionów w eksperymentach wykraczających poza model standardowy fizyki cząstek elementarnych, takich jak precyzyjne pomiary tajemniczego magnetyzmu mionów – który jest silniejszy niż przewidywano teoretycznie, powiedział Kamioka.

1. Aritome, S. i in. Przeddruk o godz https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).

Pobierz referencje