Nuevos resultados experimentales muestran que las partículas llamadas muones pueden ser canalizadas en haces adecuados para colisiones de alta energía, allanando el camino para la nueva física.
Los aceleradores de partículas son mejor conocidos por colisionar materia para sondear su composición, pero también se utilizan para medir la estructura química de los medicamentos, tratar el cáncer y fabricar microchips de silicio.
Los aceleradores actuales utilizan protones, electrones e iones, pero los aceleradores más potentes que utilizan muones, primos más pesados de los electrones, tienen el potencial de revolucionar el campo. Los aceleradores de muones serían más baratos y más pequeños, por lo que podrían construirse en los mismos sitios que los colisionadores existentes, al tiempo que acceden a energías aún más altas.
Ahora, un nuevo análisis de un experimento de haz de muones ha demostrado el éxito de una de las tecnologías clave necesarias para los aceleradores de muones. Esto allana el camino para que un colisionador de muones se amplíe antes que otros tipos de aceleradores que utilizan diferentes partículas.
El análisis fue dirigido por investigadores del Imperial College London, como parte de la colaboración del Muon Ionization Cooling Experiment (MICE), y los hallazgos se publican hoy en Nature Physics.
El primer autor del estudio, el Dr. Paul Bogdan Jurj, del Departamento de Física de Imperial, dijo: “Nuestra prueba de principio es una gran noticia para la comunidad internacional de física de partículas, que está haciendo planes para la próxima generación de aceleradores de mayor energía. Es un desarrollo importante hacia la realización de un colisionador de muones, que podría caber en sitios existentes, como FermiLab en los Estados Unidos, donde hay un creciente entusiasmo por la tecnología”.
Potentes aceleradores de partículas
Los aceleradores de partículas más poderosos del mundo, ejemplificados por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), chocan partículas llamadas protones a altas energías. Estas colisiones producen nuevas partículas subatómicas que los físicos quieren estudiar, como el Higgs y otros bosones y quarks.
Para alcanzar colisiones de mayor energía y acceder a nuevos descubrimientos y aplicaciones de la física, sería necesario construir un colisionador de protones mucho más grande. El LHC tiene la forma de un anillo con una circunferencia de 27 km, y se han elaborado planes para construir potencialmente un colisionador de casi 100 km.
Sin embargo, los considerables costos y el largo tiempo necesarios para construir un colisionador de este tipo hacen que algunos físicos busquen soluciones en otros lugares. Entre las vías prometedoras se encuentran los colisionadores que, en cambio, chocan muones.
Los colisionadores de muones serían más compactos y, por lo tanto, más baratos, alcanzando energías efectivas tan altas como las propuestas por el colisionador de protones de 100 km en un espacio mucho más pequeño. Sin embargo, se necesita desarrollo tecnológico para garantizar que los muones puedan colisionar con la suficiente frecuencia.
Alinear muones
El principal desafío ha sido lograr que los muones se congregue en un espacio lo suficientemente pequeño, de modo que cuando se aceleran formen un haz concentrado. Esto es esencial para garantizar que colisionen con el haz de muones que se acelera alrededor del anillo en la dirección opuesta.
La colaboración MICE previamente produjo un haz de este tipo utilizando lentes magnéticas y materiales absorbentes de energía para ‘enfriar’ los muones. Análisis inicial mostró que esto cambió con éxito los muones hacia el centro del haz.
El nuevo análisis de este experimento analizó la ‘forma’ del haz con más detalle y cuánto espacio ocupaba. Con esto, el equipo pudo demostrar que el enfriamiento hizo que el haz fuera más ‘perfecto’: tenía un tamaño reducido, y los muones viajaban de una manera más organizada.
El experimento se llevó a cabo utilizando la línea de haz de muones MICE en las Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Consejo (STFC) Instalación de Haz de Neutrones y Muones ISIS en el Laboratorio Rutherford Appleton de STFC en el Reino Unido. El equipo ahora está trabajando con la Colaboración Internacional de Colisionadores de Muones para construir la siguiente etapa de demostraciones.
El portavoz de la colaboración MICE, el profesor Ken Long, del Departamento de Física de Imperial, dijo: “El claro resultado positivo mostrado por nuestro nuevo análisis nos da la confianza para seguir adelante con prototipos de aceleradores más grandes que pongan la técnica en práctica”.
Dr. Chris Rogers, con base en las instalaciones ISIS de STFC en Oxfordshire, dirigió el equipo de análisis de MICE y ahora lidera el desarrollo del sistema de enfriamiento de muones para el Colisionador de Muones en el CERN. Dijo: “Este es un resultado importante que muestra el rendimiento de enfriamiento de MICE de la manera más clara posible. Ahora es imperativo que escalemos al siguiente paso, el Demostrador de Enfriamiento de Muones, para entregar el colisionador de muones lo antes posible”.
Revista
Física de la Naturaleza
Título del artículo
Reducción de la emitancia transversal en rayos de muones por enfriamiento de ionización
Fecha de publicación del artículo
17-Jul-2024
