Fiziki ukrotijo ​​osnovne mionske delce v natančno nadzorovan žarek

Fiziki ukrotijo ​​osnovne mionske delce v natančno nadzorovan žarek

Raziskovalci so prvič pospešili mione - težje, nestabilne sorodnike elektronov - v strogo nadzorovanem žarku, s čimer so vizijo mionskega trka za korak približali resničnosti.

Ekipa v japonskem raziskovalnem kompleksu protonskih pospeševalnikov (J-PARC) v Tokaju je usmerila laser v tok mionov, da bi hitro premikajoče se delce skoraj zaustavila. Raziskovalci so nato uporabili električno polje, da bi te "ohlajene" mione pospešili na približno 4 % svetlobne hitrosti. Rezultati, ki še niso bili strokovno pregledani, so bili objavljeni 15. oktobra na strežniku za prednatis arXiv 1.

Ta dosežek je "velik korak naprej" v pristopu, ki je potreben za njegovo dosego Mionski trkalnik graditi. Takšen trkalnik bi lahko uporabili za izjemno občutljive meritve, potrebne za odkrivanje novih fizikalnih pojavov. Bil bi manjši in potencialno cenejši za izdelavo kot drugi trkalniki delcev, je dejala Tova Holmes, fizik delcev na univerzi Tennessee v Knoxvillu.

Mioni so kratkoživi osnovni delci, ki so skoraj enaki elektronom, vendar imajo več kot 200-kratno maso. V zadnjem desetletju je prišlo do vse večjega gibanja v smeri kompaktnega mionskega trkalnika, ki bi lahko bil konkurenčen ali celo presegel energije, ki jih dosegajo velikanski protonski in elektronski trkalnik, kot je 27-kilometrski veliki hadronski trkalnik v CERN-u, evropskem laboratoriju za fiziko delcev blizu Ženeve. 10 kilometrov dolg mionski trkalnik bi lahko proizvedel delce s toliko energije kot tisti iz 90 kilometrov dolgega protonskega stroja, saj so mioni osnovni delci, katerih vsa energija gre v vsak trk. Nasprotno pa pride do trkov protonov med sestavnimi kvarki.

Vendar pa je pospeševanje mionov izjemno težko, ker obstajajo le približno 2 mikrosekundi, preden se pretvorijo v elektron in dve vrsti Nevtrini razpadejo. Prav tako se gibljejo v različne smeri z različnimi hitrostmi, zaradi česar jih je težko ukrotiti v ozkem, visoko intenzivnem curku. Čeprav so raziskovalci že prej pospeševali mione, so žarki "zelo divergentni", pravi soavtor študije Shusei Kamioka, fizik delcev pri raziskovalni organizaciji High Energy Accelerator Research Organisation v Tsukubi na Japonskem. Zaradi tega so žarki preveč nepredvidljivi, da bi jih lahko uporabili za občutljive meritve.

Da bi premagali to oviro, so Kamioka in njegovi kolegi izstrelili žarek pozitivno nabitih mionov, antimaterijskega dvojnika mionov, imenovanih antimuoni, v aerogel silicijevega dioksida - gobi podoben material, ki se pogosto uporablja kot toplotna izolacija. Ko so pozitivni mioni trčili z elektroni v aerogelu, so nastali nevtralni atomi "muonija". Raziskovalci so v te atome izstrelili laser, da bi ločili njihove elektrone in jih spremenili nazaj v pozitivne mione, ki so bili skoraj zamrznjeni. Ta proces ohlajanja je povzročil, da so hitrosti in smeri delcev postale bolj enotne.

Raziskovalci so nato uporabili električno polje za pospešitev teh upočasnjenih mionov do energije 100 kiloelektron voltov in dosegli hitrost približno 4 % svetlobne hitrosti.

Čeprav so rezultati obetavni, je še dolga pot, preden bo mionski trk postal resničnost, pravi Holmes. Pristop bi bilo treba razširiti, da bi proizvedli še ožje žarke z večjo intenzivnostjo, dodaja.

Kamioka je dejal, da on in njegovi kolegi razvijajo tehnologijo, potrebno za pospešitev mionov na 94 % svetlobne hitrosti, in upajo, da bodo to dosegli do leta 2028. "To je naš naslednji mejnik," pravi.

Poleg gradnje prihodnjega trkalnika bi lahko fiziki uporabili visokoenergijske mionske žarke v poskusih, ki presegajo standardni model fizike delcev, kot so natančne meritve skrivnostnega magnetizma mionov - ki je močnejši od teoretično predvidenega, je dejal Kamioka.

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

Prenesite reference