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Físicos domam partículas fundamentais de múons em um feixe controlado com precisão
Pesquisadores no Japão aceleraram pela primeira vez múons instáveis em um feixe controlado com precisão, marcando um marco para futuros aceleradores de múons.
Físicos domam partículas fundamentais de múons em um feixe controlado com precisão
Pela primeira vez, os investigadores aceleraram os múons – os parentes mais pesados e instáveis dos elétrons – num feixe rigidamente controlado, aproximando a visão de uma colisão de múons um passo da realidade.
Uma equipe do Complexo de Pesquisa do Acelerador de Prótons do Japão (J-PARC) em Tokai apontou um laser para um fluxo de múons para quase parar as partículas em movimento rápido. Os pesquisadores então aplicaram um campo elétrico para acelerar esses múons “resfriados” a cerca de 4% da velocidade da luz. Os resultados, que ainda não foram revisados por pares, foram publicados no dia 15 de outubro no servidor de pré-impressão arXiv 1.
Esta conquista representa um “grande passo em frente” na abordagem necessária para alcançar um Colisor de múons para construir. Tal colisor poderia ser usado para fazer medições extremamente sensíveis necessárias para descobrir novos fenômenos físicos. Seria menor e potencialmente mais barato de construir do que outros colisores de partículas, disse Tova Holmes, física de partículas da Universidade do Tennessee, em Knoxville.
Os múons são partículas elementares de vida curta que são quase idênticas aos elétrons, mas têm mais de 200 vezes sua massa. Ao longo da última década, tem havido um movimento crescente em direcção a um colisor de muões compacto que possa rivalizar ou mesmo exceder as energias alcançadas por colisores gigantes de protões e electrões, como o Grande Colisor de Hádrons, com 27 quilómetros de comprimento, no CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra. Um colisor de múons de 10 quilômetros de comprimento poderia produzir partículas com tanta energia quanto as de uma máquina de prótons de 90 quilômetros de comprimento, porque os múons são partículas elementares cuja energia total vai para cada colisão. Em contraste, colisões de prótons ocorrem entre os quarks constituintes.
No entanto, acelerar múons é extremamente difícil porque eles existem apenas por cerca de 2 microssegundos antes de se converterem em um elétron e dois tipos de Neutrinos desintegrar. Eles também se movem em direções diferentes e velocidades diferentes, tornando-os difíceis de domesticar em um jato estreito e de alta intensidade. Embora os investigadores já tenham acelerado múons antes, os feixes são “muito divergentes”, diz o coautor do estudo Shusei Kamioka, físico de partículas da Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia em Tsukuba, Japão. Isso torna os feixes muito imprevisíveis para serem usados em medições sensíveis.
Para superar esse obstáculo, Kamioka e seus colegas dispararam um feixe de múons com carga positiva, a contraparte de antimatéria dos múons, chamados antimúons, em aerogel de sílica – um material semelhante a uma esponja frequentemente usado como isolamento térmico. Quando os múons positivos colidiram com os elétrons no aerogel, formaram-se átomos neutros de “muônio”. Os pesquisadores dispararam um laser contra esses átomos para cortar seus elétrons, transformando-os novamente em múons positivos que estavam quase congelados. Esse processo de resfriamento fez com que as velocidades e direções das partículas se tornassem mais uniformes.
Os pesquisadores então usaram um campo elétrico para acelerar esses múons lentos a uma energia de 100 quiloelétron-volts, atingindo uma velocidade de cerca de 4% da velocidade da luz.
Embora os resultados sejam promissores, ainda há um longo caminho a percorrer antes que a colisão de múons se torne uma realidade, diz Holmes. A abordagem precisaria ser ampliada para produzir feixes ainda mais estreitos e de maior intensidade, acrescenta ela.
Kamioka disse que ele e seus colegas estão desenvolvendo a tecnologia necessária para acelerar múons a 94% da velocidade da luz e esperam conseguir isso até 2028. “Este é o nosso próximo marco”, diz ele.
Além de construir um futuro colisor, os físicos poderiam usar feixes de múons de alta energia em experimentos que vão além do Modelo Padrão da física de partículas, como medições precisas do misterioso magnetismo dos múons – que é mais forte do que o previsto teoricamente, disse Kamioka.
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Aritome, S. et al. Pré-imprimir em https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11367 (2024).