Det faktum, at vi overhovedet er her, er en af fysikkens største gåder. Vi er lavet af normale partikler som f.eks. elektroner, men hver sådan partikel har også en antimateriekammerat, som er stort set identisk med den selv, men med modsat ladning. Når stof og antimaterie kommer i kontakt, tilintetgør de hinanden i et lysglimt.
Fysikken tyder på, at stof og antimaterie blev skabt i næsten lige store mængder i Big Bang. Så hvordan kan det være, at der næsten kun er stof tilbage i dag – hvorfor tilintetgjorde stof og antimaterie ikke hinanden og gjorde universet livløst? Vores nye forskning har gjort det muligt for forskerne at bygge en ny type accelerator baseret på partikler kaldet myoner, som kan hjælpe os med at finde ud af det.
En myon er næsten identisk med en elektron, bortset fra, at den er 207 gange tungere. Desuden henfalder den til andre partikler på to milliontedele af et sekund. Denne levetid er ganske vist kort for os, men ret lang for en ustabil fundamentalpartikel, og det forklarer, hvorfor myoner udgør næsten al den ladede kosmiske stråling, der når jordens overflade.
En stor del af vores evne til at undersøge stoffets struktur på de korteste afstande afhænger af, at vi skaber stråler af partikler og accelererer dem til høje energier. Der findes imidlertid kun fire stabile partikler, som kan bruges på denne måde, nemlig elektronen og dens antipartikel (positron) samt protonen og dens antipartikel (antiproton).
Partikelstråler bestående af disse har været anvendt i mange år, men begge par har ulemper. Elektronen og dens partner er meget lette – når vi forsøger at accelerere dem, udstråler de elektromagnetisk energi. Dette kan være nyttigt til anvendelser som f.eks. tv, men gør det svært at nå den slags energier, som vi har brug for til at forbedre vores forståelse af universet.
I modsætning til elektroner består protoner og antiprotoner af mere fundamentale partikler – kvarker og gluoner. I et sammenstød mellem en proton og en antiproton er det disse fundamentale partikler, der rent faktisk kolliderer, hvilket resulterer i et lavere energitilfælde, end man ville have fået, hvis protonerne havde været virkelig fundamentale partikler.
Muonerne er tunge nok til at udstråle meget mindre energi,men fundamentale (ikke sammensat af mindre partikler), så al deres energi er til rådighed for undersøgelsen. Da forskerne skabte den nobelprisbelønnede Higgs-partikel med protoner, havde de brug for en maskine med en diameter på 10 km: Large Hadron Collider. En myonmaskine kunne imidlertid opnå dette med en omkreds på blot 200 meter.
Ulempen ved myoner er, at de i modsætning til elektroner og protoner er ustabile og skal produceres og derefter hurtigt bruges, før de alle henfalder. Vi kan producere myoner ved at tage en smal, højintensiv stråle af protoner og sende den ind i et mål lavet af et metal, f.eks. titanium. Dette producerer en stråle af en anden fundamental partikel kaldet pion.
Pioner danner en stråle, som spreder sig ud. Hvis den oprindelige protonstråle ligner en laserpegepind, ligner pionstrålen mere en fakkelstråle – med en intensitet, der falder hurtigt med afstanden. Pionerne henfalder derefter for at producere myoner, hvilket betyder, at strålen spreder sig endnu mere – og ligner en glødepære.
Vi kan ikke accelerere en sådan stråle i en maskine som LHC, så vi er nødt til at skabe en stråle, der spreder sig meget mindre. Det er en udfordring, da vi kun har to milliontedele af et sekund til at fremstille, accelerere og kollidere den.
Men vores hold af fysikere og ingeniører fra hele verden – kendt som Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) – har nu vist, at det er muligt. Vi brugte en proces, der er kendt som køling, til at hjælpe med at komprimere strålen. Det indebærer, at myonerne passerer gennem en beholder med flydende brint ved -250 °C, hvilket bremser partiklerne ned. Derefter sendte vi dem gennem et elektromagnetisk hulrum, hvilket fik strålen til at accelerere i den ønskede retning.
Gennem at gentage dette flere gange er det muligt at skabe en stråle, der spreder sig meget mindre og har en tæt kerne. Denne stråle kan injiceres i en partikelaccelerator for at producere en højenergi-muonstråle. En sådan stråle kan enten kollideres eller lade den cirkulere, indtil myonerne henfalder til en intens stråle af neutrinoer – langt mere end nogen neutrinostråle, der i øjeblikket kan produceres.
Søgning af universet
En neutrinostråle skabt af myoner er faktisk en del af en planlagt Neutrino Factory, som vil give os mulighed for at besvare mange spørgsmål vedrørende universets oprindelse og udvikling – såsom den mystiske ubalance mellem stof og antimaterie.
Neutrinoer kunne også hjælpe os med at forstå detaljerne i, hvordan livsvigtige grundstoffer som f.eks. ilt, kulstof og silicium, der dannes i stjerner, spredes over universet. Disse tungere grundstoffer blev ikke dannet i Big Bang, men er alligevel ansvarlige for den planet, vi lever på, og for alt liv omkring os. Vi ved, at det er udbrud af neutrinoer, som frigives ved stjerneeksplosioner (supernovaer), der er ansvarlige herfor.
Vi kunne også kollidere to stråler af myoner på samme måde, som vi kolliderer protoner i LHC. Da myonerne er enklere end protonerne, ville de gøre det muligt at bestemme f.eks. Higgs-partiklens egenskaber mere præcist.
Muonens egenskaber gør den også til et uvurderligt redskab inden for materialefysik. Evnen til at skabe mere tæt fokuserede stråler kan forbedre de nuværende målinger og åbne op for nye diagnostiske metoder.
Vores metode kan også bruges til at hjælpe med at øge intensiteten af alle andre ladede partikelstråler. Det har været et langt projekt, der har varet over et dusin år, men det har været indsatsen værd, når vi tænker på, hvilket kraftfuldt værktøj vi har skabt.