Fysiker tämjer fundamentala myonpartiklar till en exakt kontrollerad stråle

Fysiker tämjer fundamentala myonpartiklar till en exakt kontrollerad stråle

För första gången har forskare accelererat myoner - de tyngre, instabila släktingarna till elektroner - i en hårt kontrollerad stråle, vilket fört visionen av en myonkollision ett steg närmare verkligheten.

Ett team vid Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) i Tokai riktade en laser mot en ström av myoner för att få de snabbt rörliga partiklarna till nästan stillastående. Forskarna applicerade sedan ett elektriskt fält för att accelerera dessa "kylda" myoner till cirka 4% av ljusets hastighet. Resultaten, som ännu inte har granskats av experter, publicerades den 15 oktober på preprint-servern arXiv 1.

Denna prestation är ett "stort steg framåt" i det tillvägagångssätt som behövs för att uppnå ett Muonkolliderar att bygga. En sådan kolliderare skulle kunna användas för att göra de extremt känsliga mätningar som behövs för att avslöja nya fysiska fenomen. Det skulle vara mindre och potentiellt billigare att bygga än andra partikelkolliderare, säger Tova Holmes, partikelfysiker vid University of Tennessee i Knoxville.

Myoner är kortlivade elementarpartiklar som är nästan identiska med elektroner men har mer än 200 gånger sin massa. Under det senaste decenniet har det skett en ökande rörelse mot en kompakt myonkolliderare som kan konkurrera med eller till och med överträffa energierna som uppnås av gigantiska proton- och elektronkolliderare som den 27 kilometer långa Large Hadron Collider vid CERN, det europeiska partikelfysiklaboratoriumet nära Genève. En 10 kilometer lång myonkolliderare skulle kunna producera partiklar med lika mycket energi som de från en 90 kilometer lång protonmaskin, eftersom myoner är elementarpartiklar vars hela energi går in i varje kollision. Däremot förekommer protonkollisioner mellan de ingående kvarkarna.

Att accelerera myoner är dock extremt svårt eftersom de bara existerar i cirka 2 mikrosekunder innan de omvandlas till en elektron och två typer av Neutrinos desintegrera. De rör sig också i olika riktningar med olika hastigheter, vilket gör dem svåra att tämja in i en smal, högintensiv jet. Även om forskare har accelererat myoner tidigare, är strålarna "mycket divergerande", säger studiens medförfattare Shusei Kamioka, en partikelfysiker vid High Energy Accelerator Research Organization i Tsukuba, Japan. Detta gör strålarna för oförutsägbara för att kunna användas för känsliga mätningar.

För att övervinna detta hinder sköt Kamioka och hans kollegor en stråle av positivt laddade myoner, antimateriamotsvarigheten till myoner, kallade antimuoner, i kiseldioxidaerogel - ett svampliknande material som ofta används som värmeisolering. När de positiva myonerna kolliderade med elektroner i aerogelen bildades neutrala atomer av "muonium". Forskarna avfyrade en laser mot dessa atomer för att bryta av deras elektroner och förvandla dem tillbaka till positiva myoner som nästan var frusna. Denna avkylningsprocess gjorde att partiklarnas hastigheter och riktningar blev mer enhetliga.

Forskarna använde sedan ett elektriskt fält för att accelerera dessa bromsande myoner till en energi på 100 kiloelektronvolt och nå en hastighet på cirka 4 % av ljusets hastighet.

Även om resultaten är lovande är det fortfarande en lång väg kvar innan myonkollision blir verklighet, säger Holmes. Tillvägagångssättet skulle behöva skalas upp för att producera ännu smalare strålar med högre intensitet, tillägger hon.

Kamioka sa att han och hans kollegor utvecklar den teknik som behövs för att accelerera myoner till 94 % av ljusets hastighet och hoppas kunna uppnå detta till 2028. "Detta är vår nästa milstolpe", säger han.

Förutom att bygga en framtida kolliderare kan fysiker använda högenergimyonstrålar i experiment som går utöver standardmodellen för partikelfysik, som exakta mätningar av myonernas mystiska magnetism - som är starkare än teoretiskt förutspått, sa Kamioka.

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

Ladda ner referenser