Beschleunigte Muonen bringen Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation näher an die Realität heran

Muons kommen in Bewegung.

Als Schritt in Richtung neuer Arten von Teilchenphysik-Experimenten haben Wissenschaftler einen Strahl von Muonen gekühlt und dann beschleunigt. Die subatomaren Partikel, schwere Vettern von Elektronen, könnten in Zukunft in Hoffnung darauf, Physikgeheimnisse zu entsperren, beschleunigt und an zukünftigen Teilchenkollidern zusammengestoßen werden. Aber zuerst müssen die Wissenschaftler herausfinden, wie man den Muonen einen Geschwindigkeitsschub gibt.

Gegenläufigerweise bedeutet das zunächst, die Muonen zu verlangsamen. Muonen in Teilchenstrahlen gehen zunächst in alle Richtungen. Um einen Strahl für Experimente geeignet zu machen, müssen die Partikel zunächst verlangsamt und dann in gleicher Richtung wieder beschleunigt werden. Diese Verlangsamung oder Kühlung wurde 2020 erstmals demonstriert.

Jetzt haben Wissenschaftler nicht nur Muonen gekühlt, sondern auch in einem Experiment am Japan Proton Accelerator Research Complex, oder J-PARC, in Tokai beschleunigt. Die Muonen erreichten eine Geschwindigkeit von etwa 4 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, oder etwa 12.000 Kilometer pro Sekunde, berichten Forscher am 15. Oktober auf arXiv.org.

Die Wissenschaftler schickten die Muonen zunächst in ein Aerogel, ein leichtes Material, das die Muonen verlangsamte und Muonium erzeugte, eine atomähnliche Kombination aus einem positiv geladenen Muon und einem negativ geladenen Elektron. Anschließend nahm ein Laser die Elektronen weg, und es blieben gekühlte Muonen zurück, die dann von elektromagnetischen Feldern beschleunigt wurden.

Muon-Kollider könnten höherenergetische Kollisionen erzeugen als Maschinen, die Protonen zerschlagen, die selbst aus kleineren Teilchen namens Quarks bestehen. Die Energie jedes Protons wird unter seine Quarks aufgeteilt, was bedeutet, dass nur ein Teil der Energie in die Kollision einfließt. Muonen haben keine kleineren Bestandteile im Inneren. Und sie sind den Elektronen vorzuziehen, die Energie verlieren, während sie einen Beschleuniger umkreisen. Muonen sind von diesem Problem weniger betroffen, dank ihrer größeren Masse.

Neben Kollidern sind Muonenstrahlen nützlich für Experimente wie die Messung der magnetischen Eigenschaften der Partikel, ein Thema, das Physiker verwirrt hat.