Accelererade myoner för nästa generations partikelacceleratorer närmare verkligheten

I en riktning mot nya typer av partikelfysikexperiment, kyldes och sedan accelererades en stråle av muoner av forskare. De subatomära partiklarna, tunga kusiner till elektroner, skulle kunna accelereras och slås samman vid framtida partikelkolliderarer i hopp om att låsa upp fysikens hemligheter. Men först måste forskarna ta reda på hur man kan ge muonerna en hastighetsökning.

Motintuitivt betyder det först att sakta ner muonerna. Muoner i partikelstrålar rör sig initialt åt alla håll. För att göra en stråle lämplig för experiment måste partiklarna först sakta ner och sedan accelereras på nytt, allt i samma riktning. Denna avkylning demonstrerades först 2020.

Nu har forskare inte bara kylt muoner utan också accelererat dem i ett experiment vid Japan Proton Accelerator Research Complex, eller J-PARC, i Tokai. Forskarna rapporterade den 15 oktober på arXiv.org att muonerna nådde en hastighet på cirka 4 procent av ljusets hastighet, eller ungefär 12 000 kilometer per sekund.

Först sände forskarna muonerna in i en aerogel, ett lättviktsmaterial som bromsade muonerna och skapade muonium, en atomliknande kombination av en positivt laddad muon och en negativt laddad elektron. Nästa steg var att en laser avlägsnade elektronerna och lämnade kylda muoner som elektromagnetiska fält sedan accelererade.

Muonkolliderarer skulle kunna generera kollisioner med högre energi än maskiner som krossar protoner, som i sig är uppbyggda av mindre partiklar som kallas kvarkar. Varje protons energi fördelas mellan dess kvarkar, vilket innebär att endast en del av energin går in i kollisionen. Muoner har inga mindre bitar inuti. Och de föredras framför elektroner, som förlorar energi när de cirkulerar i en accelerator. Muoner påverkas inte lika mycket av detta problem tack vare sin större massa.

Förutom kolliderare är muonstrålar användbara för experiment som att mäta partiklarnas magnetiska egenskaper, ett ämne som har förbryllat fysiker.