O barieră în calea ciocnirii particulelor numite muoni a fost spartă

De la protoni la electroni la nuclee atomice, fizicienilor le place să zdrobească lucruri mici împreună. Și în curând, s-ar putea să aibă o modalitate și mai bună de a-și da lovitura.

Un nou experiment ridică perspective pentru construirea unui accelerator de particule care ciocnește particule numite muoni, ceea ce ar putea duce la distrugeri de energii mai mari decât orice alt proiectat anterior. Oamenii de știință de la Muon Ionization Cooling Experiment, sau MICE, au răcit un fascicul de muoni, o parte necesară a pregătirii particulelor pentru a fi utilizate într-un colisionator, relatează echipa online, 5 februarie, în Natură.

Pentru a studia materia la nivelul său cel mai fundamental, fizicienii zdrobesc particulele la energii mari și filtrează prin epave. Strategia a dezvăluit particule necunoscute anterior, cum ar fi bosonul Higgs (SN: 4/4/12), descoperit la Large Hadron Collider de la CERN, lângă Geneva, în 2012.

Acel civizor de 27 de kilometri este deja cea mai mare mașină construită vreodată. Pentru a continua să caute noi particule, oamenii de știință trebuie să meargă la energii mai mari. Cu cât energia unei coliziuni este mai mare, cu atât particulele mai grele le-ar putea descoperi oamenii de știință. A ajunge la energii mai mari necesită un accelerator mai puternic. Deci, oamenii de știință plănuiesc versiuni și mai mari, mai proaste – și mai scumpe – ale colisionarelor actuale (SN: 1/22/19).

Dar ciocnitoarele care lovesc protoni, cum ar fi LHC, au un dezavantaj major: protonii sunt formați din particule mai mici numite quarci, fiecare transportând doar o fracțiune din energia protonului. Asta înseamnă că fiecare prăbușire de particule are mai puțin putere. Ciocnirile de particule fundamentale precum muonii, care nu sunt formate din particule mai mici, nu au această problemă.

Unii ciocnitori depășesc această problemă a protonilor zdrobind electronii și opușii lor de antimaterie, pozitronii. Dar acele mașini au și un dezavantaj: electronii și pozitronii pierd energie în jurul unui inel accelerator prin aruncarea de raze X. Aceste raze, cunoscute sub numele de radiație sincrotron, sunt mai puțin importante pentru particulele mai grele, cum ar fi muonii, care sunt de aproximativ 200 de ori mai masive decât electronii, permițând muonilor să atingă energii mai mari.

Dar ciocnirea muonilor nu este o faptă simplă. Pentru a crea muoni, oamenii de știință trântesc un fascicul de protoni într-o țintă, creând alte particule care se descompun și produc muoni. Acei muoni apar cu o varietate de energii și direcții diferite. Pentru a folosi particulele într-un ciocnitor, acestea trebuie să fie răcite sau introduse într-o formațiune ordonată, la fel cum răcirea unui gaz reduce mișcarea întâmplătoare a atomilor săi.

dispozitiv cu fascicul de muoni
Pentru a crea muoni, oamenii de știință au trântit un fascicul de protoni într-o țintă, conținută în dispozitivul prezentat.STFC

Fără această răcire, muonii nu se vor ciocni atunci când două fascicule de particule sunt încrucișate. „Fasciculul este prea difuz și muonii se simt dor unul de celălalt”, spune fizicianul Chris Rogers de la Rutherford Appleton Laboratory din Didcot, Anglia. Acum, pentru prima dată, Rogers și colegii săi au demonstrat răcirea muonilor.

Muonii se descompun în alte particule în aproximativ două milioane de secundă. Așadar, „a fost foarte, foarte important să găsim o modalitate eficientă de a răci acești muoni foarte repede”, spune fizicianul Nadia Pastrone de la Institutul Național pentru Fizică Nucleară din Italia, care nu a fost implicat în lucrare.

Pentru a efectua această răcire rapidă, cercetătorii trec muonii prin materiale, determinând muonii să scoată electroni din atomii din material. Asta slăbește o parte din impulsul muonilor în toate direcțiile. Apoi, cercetătorii accelerează muonii toți în aceeași direcție folosind câmpuri electromagnetice. Repetarea acestui proces de mai multe ori produce un fascicul adecvat de dens, ordonat.

Metoda „poate schimba drastic modul în care construim acceleratoare mari”, spune fizicianul accelerator Vladimir Shiltsev de la Fermilab din Batavia, Illinois, care nu face parte din MICE. „Ceea ce vorbim acum este zorii unei noi ere posibile în fizica particulelor și cu siguranță în fizica fasciculului accelerator.”