Akceleratory cząstek, mające kluczowe znaczenie w takich dziedzinach jak medycyna, produkcja i fizyka podstawowa, zmierzają w kierunku wykorzystania mionów, co zapewnia mniejsze i tańsze konfiguracje zdolne do osiągania wyższych energii.
Nowe wyniki eksperymentów pokazują, że cząstki zwane mionami można łączyć w wiązki odpowiednie do zderzeń wysokoenergetycznych, torując drogę nowej fizyce.
Postępy w technologii mionowej mogą zrewolucjonizować akceleratory cząstek, oferując bardziej kompaktowe i tańsze alternatywy dla obecnie używanych wielkoskalowych zderzaczy. Niedawne eksperymenty wykazały kluczowe technologie niezbędne w zderzaczach mionów, sygnalizując zwrot w kierunku bardziej wydajnych badań w zakresie fizyki cząstek elementarnych o wyższej energii.
Akceleratory cząstek są najbardziej znane ze zderzenia materii w celu zbadania jej składu, ale wykorzystuje się je również do pomiaru struktury chemicznej leków, leczenia nowotworów i produkcji krzemowych mikrochipów.
Obecne akceleratory wykorzystują protony, elektrony i jony, ale potężniejsze akceleratory wykorzystujące miony – cięższych kuzynów elektronów – mają potencjał zrewolucjonizowania tej dziedziny. Akceleratory mionów byłyby zarówno tańsze, jak i mniejsze, zatem można by je budować w tych samych miejscach, co istniejące zderzacze, uzyskując przy tym dostęp do jeszcze wyższych energii.
Postęp w technologii mionowej
Nowa analiza eksperymentu z wiązką mionów wykazała sukces jednej z kluczowych technologii wymaganych w przypadku akceleratorów mionów. Otwiera to drogę do szybszego zwiększenia skali zderzacza mionów niż w przypadku innych typów akceleratorów wykorzystujących inne cząstki.
Analizę prowadził Imperial College w Londynie badaczy w ramach współpracy w ramach eksperymentu Muon Ionization Cooling Experiment (MICE), a wyniki opublikowano dzisiaj (17 lipca) w czasopiśmie Fizyka Przyrody.
Źródło neutronów i mionów ISIS w laboratorium STFC Rutherford Appleton w Wielkiej Brytanii. Źródło: STFC
Pierwszy autor badania, dr Paul Bogdan Jurj z Wydziału Fizyki w Imperial, powiedział: „Nasz dowód słuszności zasady to świetna wiadomość dla międzynarodowej społeczności fizyków cząstek elementarnych, która planuje nową generację wyższych akceleratory energii. Jest to ważny postęp w kierunku realizacji zderzacza mionów, który mógłby zmieścić się w istniejących obiektach, takich jak FermiLab w Stanach Zjednoczonych, gdzie rośnie entuzjazm dla tej technologii”.
Siła zderzaczy mionów
Najpotężniejsze akceleratory cząstek na świecie, na przykład Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), rozbijają cząstki zwane protonami przy wysokich energiach. W wyniku tych zderzeń powstają nowe cząstki subatomowe, takie jak Higgs oraz inne bozony i kwarki, które fizycy chcą badać.
Aby osiągnąć zderzenia o wyższej energii i uzyskać dostęp do nowych odkryć i zastosowań fizyki, należałoby zbudować znacznie większy zderzacz protonów. LHC ma kształt pierścienia o obwodzie 27 km i opracowano plany potencjalnej budowy zderzacza o długości prawie 100 km.
Jednak znaczne koszty i długi czas potrzebny na zbudowanie takiego zderzacza powodują, że niektórzy fizycy szukają rozwiązań gdzie indziej. Wśród obiecujących możliwości znajdują się zderzacze, które zamiast tego rozbijają miony.
Zderzacze mionów byłyby bardziej kompaktowe, a zatem tańsze i osiągałyby efektywne energie tak wysokie, jak te proponowane przez 100-kilometrowy zderzacz protonów na znacznie mniejszej przestrzeni. Jednakże niezbędny jest rozwój technologii, aby zapewnić wystarczającą częstotliwość zderzeń mionów.
Wyzwania i rozwiązania w przyspieszaniu mionów
Głównym wyzwaniem było zgromadzenie mionów na wystarczająco małej przestrzeni, tak aby podczas przyspieszania utworzyły skoncentrowaną wiązkę. Jest to niezbędne, aby zapewnić, że zderzą się one z wiązką mionów przyspieszaną wokół pierścienia w przeciwnym kierunku.
W ramach współpracy MICE wcześniej wytworzono taką wiązkę, wykorzystując soczewki magnetyczne i materiały pochłaniające energię do „chłodzenia” mionów. Wstępna analiza wykazała, że skutecznie przesunęło to miony w stronę środka wiązki.
W nowej analizie tego eksperymentu bardziej szczegółowo przyjrzano się „kształtowi” belki i ilości zajmowanej przez nią przestrzeni. Dzięki temu zespół był w stanie wykazać, że wiązka stała się bardziej „doskonała” dzięki ochłodzeniu: miała zmniejszony rozmiar, a miony podróżowały w bardziej zorganizowany sposób.
Obiecujące wyniki współpracy MICE
Eksperyment przeprowadzono przy użyciu linii wiązki mionów MICE w Radzie ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych (STFC) Obiekt ISIS Neutron i Muon Beam w laboratorium STFC Rutherford Appleton w Wielkiej Brytanii. Zespół współpracuje obecnie z Międzynarodową Współpracą Zderzacza Muonów nad stworzeniem kolejnego etapu demonstracji.
Rzecznik MICE Collaboration, profesor Ken Long z Wydziału Fizyki w Imperial, powiedział: „Wyraźnie pozytywny wynik, jaki wykazała nasza nowa analiza, daje nam pewność, że możemy kontynuować prace nad większymi prototypowymi akceleratorami, które pozwolą zastosować tę technikę w praktyce”.
Dr Chris Rogers, pracujący w ośrodku ISIS STFC w Oxfordshire, kierował zespołem analitycznym MICE, a obecnie kieruje rozwojem systemu chłodzenia mionów dla Zderzacza Muonów w CERN. Powiedział: „To ważny wynik, który w możliwie najbardziej przejrzysty sposób pokazuje wydajność chłodzenia MICE. Obecnie konieczne jest zwiększenie skali do następnego etapu, demonstratora chłodzenia mionów, aby jak najszybciej dostarczyć zderzacz mionów”.
Odniesienie: „Redukcja emisji poprzecznej w wiązkach mionów poprzez chłodzenie jonizacyjne” 17 lipca 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02547-4
