Впервые мюоны преобразованы в строго контролируемый пучок
Впервые исследователи ускорили мюоны — более тяжелые и нестабильные родственники электронов — в строго контролируемом пучке, приблизив идею мюонного коллайдера на шаг к реальности.
Группа исследователей из Японского исследовательского комплекса протонных ускорителей (J-PARC) в Токае выстрелила лазером в поток мюонов, чтобы почти остановить быстро движущиеся частицы. Затем исследователи применили электрическое поле, чтобы ускорить эти «охлажденные» мюоны примерно до 4% скорости света.
По словам ученых, это достижение является «большим шагом вперед» в подходе, необходимом для создания мюонного коллайдера, который можно было бы использовать для проведения чрезвычайно чувствительных измерений, необходимых для открытия новой физики, но при этом он был бы меньше и потенциально дешевле в строительстве, чем другие коллайдеры частиц.
Мюоны — это короткоживущие фундаментальные частицы, которые почти идентичны электронам, но имеют массу, превышающую массу электронов более чем в 200 раз. За последнее десятилетие набирает силу стремление к созданию компактного мюонного коллайдера, который мог бы соответствовать или превосходить энергии, достигаемые большими протонными и электронными коллайдерами, такими как 27-километровый Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.
10-километровый мюонный коллайдер может производить частицы, которые имеют столько же энергии, сколько и частицы из 90-километровой протонной машины, поскольку мюоны являются фундаментальными частицами, что означает, что вся их энергия уходит на каждое столкновение. Напротив, столкновения протонов происходят между составляющими их кварками.
Но мюоны очень трудно ускорить, потому что они существуют всего около 2 микросекунд, прежде чем распадаются на электрон и два типа нейтрино. Кроме того, они разлетаются в разные стороны с разной скоростью, что затрудняет их укрощение и направление в узкий высокоинтенсивный пучок. Хотя исследователи и ускоряли мюоны раньше, лучи «сильно расходятся», говорит соавтор исследования Шусей Камиока, физик-теоретик из Исследовательской организации по ускорителям высоких энергий в Цукубе, Япония. В результате лучи получаются слишком неуправляемы, чтобы использовать их для чувствительных измерений.
Чтобы преодолеть это препятствие, физики выстрелили пучком положительно заряженных мюонов, называемых антимюонами — в аэрогель кремния, губчатый материал, который часто используется в качестве теплоизолятора.
Когда антимюоны сталкивались с электронами в аэрогеле, образовывались нейтральные атомы «мюония». Исследователи выстрелили лазером по этим атомам, чтобы отобрать у них электроны, превратив их обратно в антимюоны, которые были почти заморожены на месте. Этот процесс охлаждения сделал скорости и направления частиц однородными.
Затем ученые использовали электрическое поле для ускорения этих замедленных мюонов до энергии 100 килоэлектронвольт, при которой они достигли скорости около 4% от скорости света.
Однако, хотя результаты многообещающие, предстоит еще долгий путь, прежде чем мюонные коллайдеры станут реальностью. Подход необходимо масштабировать, чтобы производить еще более узкие, более интенсивные пучки.
Шусей Камиока сказал, что он и его коллеги разрабатывают технологию, необходимую для ускорения мюонов до 94% скорости света, и надеются достичь этого к 2028 году. «Это наша следующая веха», — говорит он.
Помимо строительства будущего коллайдера, физики могли бы использовать пучки мюонов высокой энергии в экспериментах, которые могут выйти за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, например, для точного измерения загадочного магнетизма мюона, который, как было показано, сильнее, чем предсказывает теория.
Результаты, которые еще не прошли рецензирование, были опубликованы на сервере препринтов arXiv.