Физики собирали частицы, называемые мюонами, на шаге к созданию мюонного коллайдера, используя устройство отслеживания (показано) для определения местоположения частиц в пучке.
От протонов до электронов и атомных ядер, физики любят разбивать крошечные вещи вместе. И вскоре у них может быть еще лучший способ получить свои удары.
Новый эксперимент открывает перспективы для создания ускорителя частиц, который сталкивается с частицами, называемыми мюонами, что может привести к столкновениям с более высокими энергиями, чем те, которые были сконструированы ранее. Ученые, проводившие эксперимент по мюонному ионному охлаждению, или MICE, охладили пучок мюонов , необходимую часть подготовки частиц для использования в коллайдере, сообщает 5 февраля в журнале Nature .
Чтобы изучать материю на ее самом фундаментальном уровне, физики разбивают частицы вместе при высоких энергиях и фильтруют через обломки. Стратегия обнаружила ранее неизвестные частицы, такие как бозон Хиггса, обнаруженный на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, недалеко от Женевы, в 2012 году.
Этот 27-километровый коллайдер уже является самой большой машиной из когда-либо созданных. Чтобы продолжить поиск новых частиц, ученые должны перейти к более высоким энергиям. Чем выше энергия столкновения, тем более тяжелые частицы могут обнаружить ученые. Для достижения более высоких энергий требуется более мощный ускоритель. Таким образом, ученые планируют еще большие, более плохие и более дорогие версии существующих коллайдеров .
Но коллайдеры, которые соединяют вместе протоны, такие как LHC, имеют главный недостаток: протоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, каждый из которых несет лишь часть энергии протона. Это означает, что каждая авария с частицами имеет меньший вес. Столкновения фундаментальных частиц, таких как мюоны, которые не состоят из более мелких частиц, не имеют такой проблемы.
Некоторые коллайдеры обходят эту проблему протонов, разбивая вместе электроны и их противоположности антивещества, позитроны. Но у этих машин также есть недостаток: электроны и позитроны теряют энергию, вращаясь вокруг кольца ускорителя, испуская рентгеновские лучи. Эти лучи, известные как синхротронное излучение, менее важны для более тяжелых частиц, таких как мюоны, которые примерно в 200 раз массивнее электронов, что позволяет мюонам достигать более высоких энергий.
Но сталкивающиеся мюоны - не простой подвиг. Чтобы создать мюоны, ученые вбивают пучок протонов в мишень, создавая другие частицы, которые разлагаются и производят мюоны. Эти мюоны появляются с различными энергиями и направлениями. Чтобы использовать частицы в коллайдере, они должны быть охлаждены или помещены в упорядоченное образование, так же как охлаждение газа уменьшает случайное движение его атомов.
Без этого охлаждения мюоны не будут сталкиваться, когда пересекаются два пучка частиц. «Луч слишком рассеянный, и мюоны просто скучают друг по другу», - говорит физик Крис Роджерс из лаборатории Резерфорда Эпплтона в Дидкот, Англия. Теперь Роджерс и его коллеги впервые продемонстрировали мюонное охлаждение.
Мюоны распадаются на другие частицы примерно за две миллионных секунды. Поэтому «было очень, очень важно найти эффективный способ очень быстрого охлаждения этих мюонов», - говорит физик Надя Пастроне из Национального института ядерной физики в Италии, которая не участвовала в работе.
Чтобы выполнить это быстрое охлаждение, исследователи пропускают мюоны через материалы, заставляя мюоны выбивать электроны из атомов в материале. Это ослабляет некоторые импульсы мюонов во всех направлениях. Затем исследователи ускоряют мюоны в одном направлении, используя электромагнитные поля. Повторение этого процесса несколько раз приводит к получению достаточно плотного, упорядоченного пучка.
Этот метод «может радикально изменить способ создания больших ускорителей», говорит физик ускорителя Владимир Шильцев из Fermilab в Батавии, штат Иллинойс, который не является частью MICE. «То, о чем мы сейчас говорим, - это рассвет новой возможной эры в физике элементарных частиц и определенно в физике пучка ускорителя».
