&bala; Física 18, 114
Os pesquisadores demonstraram a desaceleração e a subsequente reequeração de um feixe de muon, aumentando o potencial dos feixes de muon como uma ferramenta de pesquisa.
A cada segundo, o humano médio tem um mensageiro raro da borda do espaço que passa pelo corpo. Os muons – similares aos elétrons, mas com 200 vezes a massa – são criados naturalmente quando os íons cósmicos atingem a atmosfera superior, produzindo um chuveiro de partículas. Os muons também podem ser criados artificialmente, mas esses feixes de muon são muito escassos em comparação com as vigas mais convencionais de elétrons, prótons e íons. Nas últimas décadas, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de fazer vigas muito mais densas (1Assim, 2), mas a dificuldade de trabalhar com essas vigas impediu os cientistas de cumprir seu potencial como ferramenta de pesquisa. Agora, uma equipe do Complexo de Pesquisa de Acelerador de Protons do Japão (J-PARC) demonstrou com sucesso a capacidade de manipular um denso feixe de Muon, acelerando os MUONS em um dispositivo de radiofrequência pela primeira vez (3). Os feixes de muon já foram acelerados usando campos eletrostáticos, mas esses métodos não podem atingir as energias de partículas> 100 MeV que os pesquisadores gostariam de alcançar. O uso da aceleração de radiofrequência pela J-PARC é um passo importante para estender a faixa de aplicação de feixes de muon e pode oferecer novas maneiras de investigar os limites do modelo padrão da física de partículas.
Apesar da extremidade de suas origens naturais, os muons produzidos artificialmente são usados diariamente em laboratórios em todo o mundo, onde permitem, por exemplo, medições precisas de novos materiais. Eles também podem oferecer pistas sobre a nova física. Devido à natureza estranha da física quântica, todo muon age como um pequeno ímã de barra enquanto voa pelo espaço. A orientação desse dipolo precedentes à medida que o Muon viaja através de um campo magnético, com a frequência da precessão indicando a força do momento magnético do muon. Medições precisas desse momento magnético foram realizadas pelo g -2 Equipe do Laboratório Nacional de Acelerador Fermi (Fermilab), Illinois, que observou os Muons em um campo magnético muito bem personalizado. Pequenos desvios da precessão da rotação do valor esperado foram observados, forçando os físicos a questionar sua compreensão da maneira como as forças e partículas interagem em um nível basic (ver Recurso especial: o Muon g–2 Anomalia explicadaAssim, Ponto de vista: o desafio crescente de Muon para o modelo padrãoe Notícias de pesquisa: o experimento muon chama isso de envoltório).
Resolver essa discrepância é uma das principais prioridades da física, mas, para progredir, os pesquisadores precisam de feixes de muon intensos com energias altas e uniformes. Os feixes de muon são geralmente produzidos artificialmente, disparando prótons de alta energia contra um alvo de grafite ou steel. Como os raios cósmicos atingindo a atmosfera superior, os prótons têm energia suficiente para quebrar núcleos no alvo, criando chuveiros de partículas instáveis chamadas pions. Esses pions, que sobrevivem por apenas alguns bilionésimos de segundo, decominantemente predominantemente em muons, que emergem do alvo com uma ampla gama de trajetórias. Os cientistas do feixe têm várias ferramentas para o organização de partículas carregadas em vigas enérgicas e coerentes, mas essas técnicas não são práticas para os muons. As lentes magnéticas, por exemplo, podem trocar uma propagação nos ângulos de propagação das partículas para uma propagação em posição e vice -versa. Mas a maneira como os muons são criados a partir de núcleos explosivos significa que eles são enérgicos demais para serem facilmente controlados dessa maneira. Criar um feixe de muon útil também significa acelerar as partículas para a energia desejada. Para partículas mais facilmente manipuláveis, como prótons e elétrons, isso pode ser alcançado usando cavidades de radiofrequência, que contêm um campo eletromagnético oscilante. Em princípio, essa técnica também é aplicável aos MUONS, mas enquanto os feixes de prótons e elétrons são normalmente criados com uma pequena disseminação de energia, a origem nuclear dos muons significa que essas partículas abrangem uma faixa de energia muito maior. Esse grande alcance faria com que o fluxo do feixe resultante fosse muito baixo para ser útil.
Uma abordagem para superar esses desafios divide o problema em duas etapas: concentrar as partículas e acelerá -las. O primeiro passo, que foi demonstrado anteriormente (1Assim, 2), aumenta a densidade do muon diminuindo drasticamente as partículas. Nesta técnica, conhecida como resfriamento de ionização a laser, os MUONS liberados do alvo são interrompidos em uma esponja de ar-densidade muito baixa. Aqui, os muons se ligam aos elétrons no airgel para formar muonium, um átomo de hidrogênio composto de um muon e um elétron, que flutua através do materials. Quando as partículas do Muonium emergem do airgel, um laser poderoso é usado para derrubar os elétrons, deixando os muons nus em um feixe compacto e extremamente baixo de energia.
A equipe J-Parc já demonstrou a segunda etapa, na qual o feixe de muon frio produzido pelo resfriamento de ionização a laser é posteriormente reequinhado. A equipe fez isso passando o feixe através de uma cavidade especial de frequência de rádio conhecida como quadrupolo de radiofrequência (RFQ), um dispositivo normalmente usado para acelerar feixes de prótons de baixa energia. Em um RFQ, um campo elétrico oscilante concentra firmemente as partículas para impedi -las de escapar transversalmente, dando -lhes um impulso longitudinalmente, aumentando sua energia antes de derramar do closing do dispositivo. Crucialmente, o sucesso desse processo de reação depende do desenvolvimento prévio do estágio de ionização a laser: a abertura do RFQ é muito pequena para aceitar um feixe de muon convencional, necessitando da etapa inicial de colimação, e a frequência de radiofação de 324-MH do RFQ exige um curto pulso de mUon que possa se encaixar em 324-Ns de 324-Fre-Frecilation, que pode se encaixar em um período de oscilação de 324-NS-Fre.
Embora o feixe produzido pela equipe do J-Parc seja de boa qualidade (em termos de baixa emissão), sua energia e intensidade ainda não são altas o suficiente para os experimentos que os pesquisadores finalmente esperam fazer. No entanto, a demonstração do potencial de reatederar os muons frios é um passo emocionante em frente. Outros grupos estão investigando técnicas alternativas para produzir essas vigas, por exemplo, usando uma nova combinação de campos elétricos e magnéticos cruzados para resfriar os Muons (4Assim, 5ou usando o resfriamento de ionização de alta energia (6Assim, 7), que pode ser aplicado a muons relativísticos.
Qualquer que seja a técnica por trás de sua produção, o Muon Beams é um campo emocionante e em crescimento, com aplicação em uma ampla gama de ciências fundamentais e aplicadas. Quando a equipe do J-Parc obteve energias suficientemente altas, um dos primeiros usos do feixe será fazer uma medição extremamente precisa do momento magnético Muon, usando um dispositivo muito menor do que o usado pela equipe do Fermilab. Isso permitirá uma sonda indireta complementar do modelo padrão de física de partículas. O resultado do J-PARC também abre caminho para a aceleração dos MUONS para obter energias recorde. Esse feixe pode ser colidido com um feixe de elétrons de alta energia ou outro feixe de muon, permitindo um teste direto do modelo padrão de física de partículas com uma rigidez comparável à do collider round futuro proposto no CERN, mas em uma instalação muito menor (8–10).
Referências
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- P. Bakule et al.“Fonte pulsada de muons positivos de extremely baixa energia para estudos de µsr próximo à superfície”. Nucl. Instrum. Métodos Phys. Res., Seita. B 266335 (2008).
- S. Aritome et al.“Aceleração de muons positivos por uma cavidade de radiofrequência”. Phys. Rev. Lett. 134245001 (2025).
- D. Taqqu, “Compressão e extração de MUONS STATUPED”. Phys. Rev. Lett. 97194801 (2006).
- A. Antognini et al. (Mucool Collaboration), “Demonstração da compressão do espaço de fase transversal do feixe muon”. Phys. Rev. Lett. 125164802 (2020).
- Colaboração de camundongos, “Demonstração de resfriamento pelo experimento de resfriamento de ionização do Muon”. Natureza 57853 (2020).
- Colaboração de camundongos, “Redução de emitações transversais nas vigas do muon por resfriamento de ionização”. Nat. Phys. 201558 (2024).
- Y. Hamada et al.“Μtristan”. Prog. Teor. Exp. Phys. 2022 (2022).
- “Os físicos de partículas dos EUA querem construir um collider muon – a Europa deve entrar”. Natureza 625423 (2024)editorial.
- Kr Lengthy et al.“Muon Colliders para expandir as fronteiras da física de partículas”. Nat. Phys. 17289 (2021).
