A MICE az új LHC

A muonok gyakran előforduló részecskék, amelyek a Föld felső atmoszférájában, a kozmikus sugarak ütközései révén keletkeznek, ezért aztán a MICE muonsugár-gyorsító lehet s következő nagy lépés, az LHC helyettesítésére szolgáló utód-részecskegyorsító. 

Az LHC protonokat, vagyis egyfajta hardonokat használ, melyek az erős kölcsönhatásokban vesznek részt. A leptonok, vagyis az elektron és a muon, nem vesznek részt az erős kölcsönhatásokban, ehelyett a gyenge kölcsönhatásokon keresztül lépnek interakcióba.

A muonok elképesztően rövid élettartama a másodperc kétmilliomod része (2,2 mikroszekundum). A muonokat, amelyeknek tömege körülbelül kétszerese az elektron tömegének, úgy állítják elő, hogy egy intenzív protonnyalábot olyan céllal ütköztetnek, amelynek anyaga sűrű folyadék, például higany, vagy könnyű szilárd anyag, például szén. Mivel előállítási mechanizmusuk magában foglalja a protonok által termelt részecskék bomlását, ezek a muonok diffúz felhőt képeznek. Ezt a muonfelhőt le lehet választani a maradék törmelékről és egy sor mágneses lencsén keresztül lehet irányítani. Ám ha csupán két ilyen diffúz sugár keresztezi egymást, az ütközés esélye nagyon alacsony, így elmaradnak a hasznos, érdekes fizikai jelenségek is, melyeket létrehozhatnának. 

Részecskesugár-hűtés

A felhő diffúziójának csökkentése érdekében a „részecskesugár hűtés” néven ismert eljárás merült fel. Ez magában foglalja a muonok egymáshoz való közelítését és azonos irányba mozgatását. Mágneses lencsék összpontosíthatják a muonokat közelebb egymáshoz, vagy ugyanabba az irányba mozgathatják őket, de mindkettőre nem képesek egyszerre. Ennek oka a muonok rendkívül rövid élettartama, ami miatt a hagyományos módszerekkel nem túl könnyű lehűteni őket.

Az Ulsan National Institute of Science and Technology-hoz (UNIST) kapcsolt nemzetközi kutatócsoport nemrég mégis sikeresen bemutatta a muonok ionizációs hűtését.

Ez jelentős lépés a világ legerősebb részecskegyorsítójának, a MICE-nak a fejlesztése felé, amely az anyag alapvető alkotóelemeinek jobb megértést biztosíthatja.

Az ionizációs hűtés módszer alkalmazásával a tudósok képesek voltak a muonokat elegendően szűk térfogatúra sűríteni ahhoz, hogy tanulmányozhassák a létrejövő új rendszerek fizikáját.

A muonokat úgy hűtötték le, hogy lítium-hidridből vagy folyékony hidrogénből álló speciálisan megtervezett energiaelnyelőn vezették át őket, miközben a sugarat nagyon szorosan fókuszálták erős szupravezető mágneses lencsékkel.

Ezt a “hűtési” folyamatot többször megismételve, a muonok nagy energiára gyorsíthatók (ami a speciális relativitáselmélet miatt meghosszabbítja azok élettartamát a laboratóriumban), befecskendezhetők egy részecske-tároló gyűrűbe, és nekivezethetőek egy antimon sugárnak, amely az ellenkező irányba mozog, hogy ütközések történjenek. 

Egy áttörés - számos lehetőség

Alternatív megoldásként a “hideg” muonok lelassíthatók, hogy bomlástermékeik tanulmányozhatók legyenek. Vagy akár egyetlen muonnyalábot is tárolható egy versenypálya alakú gyűrűben, és hagyhatjuk, megvárva a lebomlást, és így egyedülállóan erős neutrino sugarakat kapva, amelyek új fizika-tudományi lehetőségeket kínálhatnak a jövőbeni neutrino kísérletekhez.

A kísérlet eredményei egyértelműen azt mutatják, hogy a muon-nyaláb vezérelhető az ionizációs hűtéssel, az 1980-as években kidolgozott elméletek előrejelzése szerint. 

Az áttörést a Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) együttműködés hajtotta végre, számos brit tudós, valamint Moses Chung professzor és kutatócsoportjának részvételével az UNIST Természettudományi Iskolájából. A MICE együttműködés, amelyet Ken Long, a londoni Imperial College munkatársa vezet, a Brit Tudományos és Technológiai Létesítmények Tanácsának, a Fermilabnak, az USA Energiaügyi Minisztériumáa Tudományos Irodájának, az USA Nemzeti Tudományos Alapítványának, valamint az egész világon sokfelé működő intézetek támogatásával jött létre.  Eredményeiket a Nature online változatában tették közzé.

(Forrás: TechExplorist, Fermilab Képek: MICE, ICL, Publicdomainpictures)