To, že tu vůbec jsme, je jednou z největších hádanek fyziky. Jsme vytvořeni z normálních částic, jako jsou elektrony, ale každá taková částice má také společníka z antihmoty, který je prakticky totožný sám se sebou, ale má opačný náboj. Když se hmota a antihmota dostanou do kontaktu, v záblesku světla se navzájem anihilují.
Fyzika naznačuje, že hmota a antihmota vznikly při velkém třesku v téměř stejném množství. Jak je tedy možné, že dnes zůstala téměř jen hmota – proč se hmota a antihmota navzájem neanihilovaly, aby se vesmír stal bez života? Náš nový výzkum umožnil vědcům postavit nový typ urychlovače založeného na částicích zvaných miony, který by nám to mohl pomoci zjistit.
Mion je téměř totožný s elektronem, jen je 207krát těžší. Navíc se během dvou miliontin sekundy rozpadá na jiné částice. Tato doba života, i když je pro nás krátká, je pro nestabilní základní částici poměrně dlouhá, a to vysvětluje, proč miony tvoří téměř všechno nabité kosmické záření, které dosáhne povrchu Země.
Velká část naší schopnosti zkoumat strukturu hmoty na nejkratší vzdálenosti závisí na vytváření svazků částic a jejich urychlování na vysoké energie. Existují však pouze čtyři stabilní částice, které lze tímto způsobem použít, a to elektron a jeho antičástice (pozitron) a proton a jeho antičástice (antiproton).
Svazky částic složené z nich se používají již mnoho let, přesto mají obě tyto dvojice nevýhody. Elektron a jeho partner jsou velmi lehké – když se je pokusíme urychlit, vyzařují elektromagnetickou energii. To může být užitečné pro aplikace, jako je televize, ale ztěžuje to dosažení takových energií, které potřebujeme pro lepší pochopení vesmíru.
Na rozdíl od elektronů se proton a antiproton skládají z více základních částic – kvarků a gluonů. Při srážce protonu a antiprotonu jsou to právě tyto fundamentální částice, které se skutečně srazí, což má za následek srážku s nižší energií, než jakou bychom dostali, kdyby protony byly skutečně fundamentálními částicemi.
Miony jsou natolik těžké, že vyzařují mnohem méně energie,ale fundamentální (nejsou složeny z menších částic), takže veškerá jejich energie je k dispozici pro zkoumání. Když vědci vytvořili Higgsovu částici oceněnou Nobelovou cenou pomocí protonů, potřebovali k tomu zařízení o průměru 10 km: Velký hadronový urychlovač. Mionový stroj by toho však mohl dosáhnout s obvodem pouhých 200 metrů.
Nevýhodou mionů je, že na rozdíl od elektronů a protonů jsou nestabilní a je třeba je vyrobit a následně rychle použít, než se všechny rozpadnou. Miony můžeme vyrobit tak, že vezmeme úzký svazek protonů o vysoké intenzitě a spustíme ho do terče vyrobeného z kovu, například titanu. Vznikne tak svazek další základní částice zvané pion.
Piony tvoří paprsek, který se rozptyluje. Jestliže původní protonový paprsek vypadá jako laserové ukazovátko, pionový paprsek vypadá spíše jako paprsek pochodně – jeho intenzita se vzdáleností rychle klesá. Piony se pak rozpadají za vzniku mionů, což znamená, že se paprsek šíří ještě více – připomíná žárovku.
Takový paprsek nemůžeme v zařízení, jako je LHC, urychlit, takže musíme vytvořit paprsek, který se šíří mnohem méně. To je náročné vzhledem k tomu, že na jeho výrobu, urychlení a srážku máme pouhé dvě miliontiny sekundy.
Ale náš tým fyziků a inženýrů z celého světa – známý jako MICE (Muon Ionisation Cooling Experiment) – nyní ukázal, že je to možné. Ke stlačení svazku jsme použili proces známý jako chlazení. Ten spočívá v průchodu mionů nádobou s kapalným vodíkem o teplotě -250 °C, čímž se částice zpomalí. Poté jsme je nechali projít elektromagnetickou dutinou, která způsobila urychlení svazku v požadovaném směru.
Několikanásobným opakováním tohoto postupu je možné vytvořit svazek, který se mnohem méně šíří a má husté jádro. Tento svazek lze vstříknout do urychlovače částic a vytvořit tak svazek mionů s vysokou energií. Takový svazek lze buď srazit, nebo nechat cirkulovat, dokud se miony nerozpadnou na intenzivní svazek neutrin – daleko převyšující jakýkoli neutrinový svazek, který lze v současnosti vytvořit.
Zkoumání vesmíru
Ve skutečnosti je svazek neutrin vytvořený z mionů součástí plánované továrny na neutrina, která by nám umožnila odpovědět na mnoho otázek souvisejících se vznikem a vývojem vesmíru – například na záhadnou nerovnováhu mezi hmotou a antihmotou.
Neutrina by nám také mohla pomoci pochopit detaily toho, jak se životně důležité prvky, jako je kyslík, uhlík a křemík, které vznikají ve hvězdách, šíří vesmírem. Tyto těžší prvky nevznikly při velkém třesku, a přesto jsou zodpovědné za planetu, na které žijeme, a veškerý život kolem nás. Víme, že za to mohou výbuchy neutrin, která se uvolňují při explozích hvězd (supernovy).
Mohli bychom také srazit dva svazky mionů stejným způsobem, jakým srážíme protony na LHC. Miony, které jsou jednodušší než protony, by umožnily například přesnější určení vlastností Higgsovy částice.
Vlastnosti mionů z nich také činí neocenitelný nástroj v oblasti fyziky materiálů. Schopnost vytvářet těsněji zaměřené svazky může zlepšit současná měření a otevřít nové diagnostické metody.
Naší metodu lze také využít ke zvýšení intenzity jakýchkoli jiných svazků nabitých částic. Byl to dlouhý projekt trvající více než tucet let, ale stálo to za to, když uvážíme, jak mocný nástroj jsme vytvořili.