Muonkolliderare

En Muon Collider är en föreslagen partikelacceleratoranläggning i sitt konceptuella designstadium som kolliderar med muonstrålar för precisionsstudier av standardmodellen och för direkt sökning av ny fysik. Muoner tillhör den andra generationen av leptoner , de produceras typiskt i högenergikollisioner antingen naturligt (till exempel genom kollisioner av kosmiska strålar med jordens atmosfär ) eller artificiellt (i kontrollerade miljöer som använder partikelacceleratorer ). Den största utmaningen med en sådan kollider är den korta livslängden för myoner.

Tidigare leptonkolliderar har alla använt elektroner och/eller deras antipartiklar, positroner . De erbjuder en fördel över hadronkolliderar , som den CERN -baserade Large Hadron Collideren , i det att leptonkollisioner är relativt "rena" tack vare att de är elementära partiklar , medan hadroner , som protoner , är sammansatta partiklar. Ändå kan elektron-positronkolliderar inte effektivt nå samma masscentrumenergi som hadronkolliderare i cirkulära acceleratorer på grund av energiförlusten genom synkrotronstrålning .

En myon är cirka 206 gånger mer massiv än elektronen , vilket minskar mängden synkrotronstrålning från en myon med en faktor på cirka 1 miljard. Den minskade strålningsförlusten möjliggör konstruktion av cirkulära kolliderar med mycket högre designenergier än motsvarande elektron/positronkolliderar. Detta ger den unika kombinationen av en hög massacentrumenergi och en ren kollisionsmiljö som inte är möjlig i någon annan typ av partikelkolliderare. Det har visat sig att en myonkolliderare kan uppnå energier på flera teraelektronvolt (TeV). Med utgångspunkt från masscentrumenergin på 3 TeV är en myonkolliderare den mest energieffektiva typen av kolliderare, medan den vid 10 TeV skulle ha en fysikräckvidd jämförbar med den för den föreslagna 100 TeV hadronkollideren, FCC -hh , samtidigt som den passar in i en ring av storleken på LHC (27 km ), utan behov av en mycket dyrare 100 km lång tunnel som planeras för Future Circular Collider . En myonkolliderare ger också ett rent och effektivt sätt att producera Higgs-bosoner .

Myoner är kortlivade partiklar med en livslängd på 2,2 μs i sin viloram. Detta faktum utgör en allvarlig utmaning för acceleratorkomplexet: Myoner måste accelereras till en hög energi innan de sönderfaller och acceleratorn behöver en kontinuerlig källa till nya myoner. Det påverkar också experimentdesignen: Ett högt flöde av partiklar som induceras av muonnedbrytningsprodukterna når så småningom detektorn, vilket kräver avancerad detektorteknologi och algoritmer för återuppbyggnad av händelser för att skilja dessa partiklar från kollisionsprodukter. Baslinjemetoden för muonproduktion som betraktas idag är baserad på en högenergiprotonstråle som träffar ett mål för att producera pioner , som sedan sönderfaller till myoner som har en betydande spridning av riktning och energi, som måste reduceras för ytterligare acceleration i ringa. Möjligheten att utföra denna så kallade 6D-kylning av myoner har demonstrerats av Muon Ionisation Cooling Experiment ( MICE). En alternativ produktionsmetod, Low Emittance Muon Accelerator (LEMMA) använder en positronstråle som träffar ett fast mål för att producera myonpar från elektron-positron-förintelseprocessen vid tröskelvärdet för massenergi. Den resulterande strålen behöver inte kylningssteget, men lider av det mycket låga muonproduktionstvärsnittet, vilket gör det utmanande att uppnå hög ljusstyrka med de befintliga positronkällorna.

Samtalen pågick under 2009. Den första dedikerade designen av acceleratorkomplexet och detektordesign för masscentrumenergier upp till 3 TeV har utvecklats inom det amerikanska Muon Accelerator Program under 2010–2015. Intresset för Muon Collider-projektet har ökat igen 2020 efter publiceringen av fysik-räckviddsjämförelsen mellan 1,5 TeV Muon Collider och CLIC-experimentet, följt av uppdateringen av den europeiska strategin för partikelfysik, där det rekommenderades att initiera en internationell designstudie av en Muon Collider som riktar in sig på massacentrumenergier nära 10 TeV.

Se även

• Internationellt muonjoniseringskylningsexperiment

externa länkar

•   Gibney, Elizabeth (8 augusti 2022). "Partikelfysiker vill bygga världens första myonkolliderare" . Naturen . 608 (7924): 660–661. doi : 10.1038/d41586-022-02122-y . PMID 35941386 .