Los físicos han domesticado por primera vez partículas fundamentales de muones en un haz altamente controlado

Por primera vez, los investigadores han acelerado muones (los primos más pesados ​​e inestables de los electrones) en un haz estrictamente controlado, acercando la visión del colisionador de muones a la realidad.

Un equipo del Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC) en Tokai disparó un rayo láser a una corriente de muones para detener las partículas que se mueven rápidamente. A continuación, los investigadores utilizaron un campo eléctrico para acelerar estos muones “enfriados” hasta aproximadamente el 4% de la velocidad de la luz. Los resultados, que aún no han sido revisados ​​por pares, se publicaron el 15 de octubre en el servidor de preimpresión arXiv.¹.

Este logro representa un “gran paso adelante” en el enfoque necesario para construir una comunidad colisionador lunarque pueden usarse para realizar mediciones exquisitamente sensibles necesarias para descubrir nueva física, pero son más pequeños y probablemente más baratos de construir que otros colisionadores de partículas, dice Tova Holmes, física de partículas de la Universidad de Tennessee, Knoxville.

Los muones son partículas fundamentales de vida corta que son casi idénticas a los electrones, pero son más de 200 veces más masivas. Durante la última década, ha habido un impulso cada vez mayor hacia la construcción de un colisionador de muones compacto que pueda igualar o superar las energías logradas por los colisionadores de protones y electrones en expansión, como el Gran Colisionador de Hadrones de 27 kilómetros de largo del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra. , Suiza. Un colisionador de muones de 10 kilómetros de largo puede producir partículas con la energía equivalente a la de una máquina de protones de 90 kilómetros de diámetro, porque los muones son partículas fundamentales, lo que significa que toda su energía se destina a cada colisión. Por otro lado, se producen colisiones de protones entre sus quarks constituyentes.

Partículas difíciles

Pero los muones son muy difíciles de acelerar porque existen sólo dos microsegundos antes de desintegrarse en un electrón y dos tipos de partículas. neutrino. También disparan en diferentes direcciones a diferentes velocidades, lo que los hace difíciles de domesticar con un haz estrecho y de alta intensidad. Aunque los investigadores han acelerado muones antes, los haces están “muy alejados”, dice el coautor del estudio Shusei Kamioka, físico de partículas de la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía en Tsukuba, Japón. Como resultado, los haces son demasiado rebeldes para usarse en mediciones sensibles.

Para superar este obstáculo, Kamioka y sus colegas dispararon un haz de muones cargados positivamente, un análogo de la antimateria muónica llamada antimuones, en un aerogel de sílice, un material similar a una esponja que a menudo se utiliza como aislante térmico. Cuando los muones positivos chocan con los electrones del aerogel, se forman átomos de muonio neutros. Los investigadores dispararon un láser a estos átomos para despojarlos de sus electrones, convirtiéndolos nuevamente en muones positivos que estaban casi congelados en su lugar. Este proceso de enfriamiento hizo que las velocidades y direcciones de las partículas fueran uniformes.

Luego, los investigadores utilizaron un campo eléctrico para acelerar estos lentos muones a una energía de 100 keV, logrando una velocidad de aproximadamente el 4% de la velocidad de la luz.

Aunque los resultados son prometedores, aún queda un largo camino por recorrer antes de que los colisionadores de muones se conviertan en una realidad, afirma Holmes. Este enfoque deberá ampliarse para producir haces más estrechos y de mayor densidad, afirma.

Kameoka dijo que él y sus colegas están desarrollando la tecnología para acelerar los muones al 94 por ciento de la velocidad de la luz y esperan lograrlo para 2028. “Este es nuestro próximo hito”, dice.

Además de construir un futuro colisionador, los físicos podrían utilizar haces de muones de alta energía en experimentos que podrían ir más allá del modelo estándar de física de partículas, como medir con precisión el misterioso magnetismo del muón, que ha demostrado ser más fuerte de lo que predice la teoría, dice Kamioka.