Se, että olemme ylipäätään täällä, on yksi fysiikan suurimmista arvoituksista. Meidät on tehty tavallisista hiukkasista, kuten elektroneista, mutta jokaisella tällaisella hiukkasella on myös antimateriakumppani, joka on käytännöllisesti katsoen identtinen itsensä kanssa, mutta jolla on vastakkainen varaus. Kun aine ja antiaine joutuvat kosketuksiin, ne tuhoavat toisensa valonvälähdyksessä.
Fysiikan mukaan ainetta ja antiainetta syntyi alkuräjähdyksessä lähes yhtä paljon. Miten sitten on mahdollista, että nykyään on jäljellä melkein vain ainetta – miksi aine ja antiaine eivät tuhonneet toisiaan tehden maailmankaikkeudesta elottoman? Uuden tutkimuksemme ansiosta tiedemiehet ovat pystyneet rakentamaan uudenlaisen kiihdyttimen, joka perustuu myoneiksi kutsuttuihin hiukkasiin ja joka voi auttaa meitä saamaan sen selville.
Myoni on lähes identtinen elektronin kanssa, paitsi että se on 207 kertaa raskaampi. Lisäksi se hajoaa toisiksi hiukkasiksi sekunnin kahdessa miljoonasosassa. Vaikka tämä elinikä on meille lyhyt, se on aika pitkä aika epävakaalle perushiukkaselle, ja tämä selittää sen, miksi myonit muodostavat lähes kaiken varautuneen kosmisen säteilyn, joka saavuttaa Maan pinnan.
Valtaosa kyvystämme tutkia aineen rakennetta mahdollisimman lyhyillä etäisyyksillä riippuu siitä, että luomme hiukkassäteitä ja kiihdytämme niitä suuriin energioihin. On kuitenkin vain neljä vakaata hiukkasta, joita voidaan käyttää tällä tavoin: elektroni ja sen antihiukkanen (positroni) sekä protoni ja sen antihiukkanen (antiprotoni).
Näistä koostuvia hiukkassäteitä on käytetty jo vuosia, mutta molemmilla näillä pareilla on kuitenkin omat haittapuolensa. Elektroni ja sen pari ovat hyvin kevyitä – kun yritämme kiihdyttää niitä, ne säteilevät sähkömagneettista energiaa. Tämä voi olla hyödyllistä esimerkiksi television kaltaisissa sovelluksissa, mutta vaikeuttaa sellaisten energioiden saavuttamista, joita tarvitsemme maailmankaikkeuden ymmärtämiseen.
Toisin kuin elektronit, protoni ja antiprotonit koostuvat perustavanlaatuisemmista hiukkasista – kvarkkeista ja gluoneista. Protonin ja antiprotonin törmäyksessä juuri nämä perustavanlaatuiset hiukkaset todella törmäävät toisiinsa, mikä johtaa pienemmän energian törmäykseen kuin mitä olisi saatu, jos protonit olisivat olleet todella perustavanlaatuisia hiukkasia.
Muonit ovat sen verran raskaita, että ne säteilevät paljon vähemmän energiaa,mutta perustavanlaatuisia (eivät koostu pienemmistä hiukkasista), joten niiden kaikki energia on käytettävissä tutkimukseen. Kun tutkijat loivat Nobel-palkitun Higgsin hiukkasen protonien avulla, he tarvitsivat halkaisijaltaan 10 kilometrin kokoisen koneen: Large Hadron Colliderin. Myonikoneella tämä saavutettaisiin kuitenkin vain 200 metrin kehällä.
Myonien haittapuolena on se, että toisin kuin elektronit ja protonit, ne ovat epästabiileja, ja niitä on tuotettava ja sitten käytettävä nopeasti, ennen kuin ne kaikki hajoavat. Voimme tuottaa myoneja ottamalla kapean, suuren intensiteetin protonisäteen ja ajamalla sen kohteeseen, joka on valmistettu metallista, kuten titaanista. Tämä tuottaa säteen toisesta perushiukkasesta, jota kutsutaan pioniksi.
Pionit muodostavat säteen, joka tuulettuu. Jos alkuperäinen protonisäde näyttää laserosoittimelta, pionisäde näyttää pikemminkin taskulamppusäteeltä – intensiteetti laskee nopeasti etäisyyden kasvaessa. Sitten pionit hajoavat muodostaen myoneja, jolloin säde leviää vielä enemmän – muistuttaen hehkulamppua.
Me emme voi kiihdyttää tällaista sädettä LHC:n kaltaisessa laitteessa, joten meidän on luotava säde, joka leviää paljon vähemmän. Tämä on haastavaa, kun otetaan huomioon, että meillä on vain kaksi sekunnin miljoonasosaa aikaa säteen tuottamiseen, kiihdyttämiseen ja törmäyttämiseen.
Mutta eri puolilta maailmaa kotoisin olevista fyysikoista ja insinööreistä koostuva tiimimme, joka tunnetaan nimellä Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE), on nyt osoittanut, että se on mahdollista. Käytimme jäähdytykseksi kutsuttua prosessia säteen tiivistämiseksi. Siinä myonit johdetaan säiliön läpi, jossa on nestemäistä vetyä -250 °C:n lämpötilassa, jolloin hiukkaset hidastuvat. Sitten johdimme ne sähkömagneettisen ontelon läpi, mikä sai säteen kiihtymään haluttuun suuntaan.
Toistamalla tätä useita kertoja on mahdollista luoda säde, joka leviää paljon vähemmän ja jolla on tiheä ydin. Tämä säde voidaan ruiskuttaa hiukkaskiihdyttimeen tuottamaan korkeaenerginen myonisäde. Tällainen säde voidaan joko törmäyttää tai antaa sen kiertää, kunnes myonit hajoavat voimakkaaksi neutriinosäteeksi, joka on paljon suurempi kuin mikään tällä hetkellä tuotettavissa oleva neutriinosäde.
Universumin tutkiminen
Itse asiassa myoneista luotu neutriinosäde on osa suunniteltua neutriinotehdasta, jonka avulla voitaisiin vastata moniin maailmankaikkeuden syntyyn ja kehitykseen liittyviin kysymyksiin – kuten aineen ja antiaineen salaperäiseen epätasapainoon.
Neutriinot voisivat myös auttaa meitä ymmärtämään yksityiskohtia siitä, miten tähdissä muodostuvat elämän kannalta olennaiset alkuaineet, kuten happi, hiili ja pii, levittäytyvät maailmankaikkeudessa. Nämä raskaammat alkuaineet eivät syntyneet alkuräjähdyksessä, ja silti ne ovat vastuussa planeetasta, jolla elämme, ja kaikesta elämästä ympärillämme. Tiedämme, että tästä ovat vastuussa tähtien räjähdyksissä (supernovissa) vapautuvat neutriinopurkaukset.
Voisimme myös törmäyttää kaksi myonisädettä samaan tapaan kuin törmäytämme protoneita LHC:ssä. Myonit, jotka ovat yksinkertaisempia kuin protonit, mahdollistaisivat esimerkiksi Higgsin hiukkasen ominaisuuksien tarkemman määrittämisen.
Myonin ominaisuudet tekevät siitä myös korvaamattoman arvokkaan työkalun materiaalifysiikan alalla. Kyky luoda tarkemmin fokusoituja säteitä voi parantaa nykyisiä mittauksia ja avata uusia diagnostisia menetelmiä.
Menetelmäämme voidaan käyttää myös apuna minkä tahansa muun varattujen hiukkasten säteen voimakkuuden lisäämisessä. Projekti on ollut pitkä ja kestänyt yli kymmenkunta vuotta, mutta se on ollut vaivan arvoinen, kun ajattelemme, miten tehokkaan työkalun olemme luoneet.