A tény, hogy egyáltalán itt vagyunk, a fizika egyik legnagyobb rejtélye. Normális részecskékből, például elektronokból állunk, de minden ilyen részecskének van egy antianyag társa is, amely gyakorlatilag azonos önmagával, de ellentétes töltéssel. Amikor az anyag és az antianyag érintkezik, egy fényvillanás alatt megsemmisítik egymást.
A fizika szerint az anyag és az antianyag közel azonos mennyiségben jött létre az ősrobbanáskor. Akkor hogy lehet, hogy ma már szinte csak anyag maradt – miért nem semmisítette meg egymást az anyag és az antianyag, hogy az univerzum élettelenné váljon? Új kutatásunk lehetővé tette a tudósok számára, hogy egy új típusú, müonoknak nevezett részecskéken alapuló gyorsítót építsenek, amely segíthet kideríteni a kérdést.
A müon majdnem azonos az elektronnal, kivéve, hogy 207-szer nehezebb. Ráadásul kétmilliomod másodperc alatt bomlik más részecskékre. Ez az élettartam, bár számunkra rövid, egy instabil alaprészecske számára meglehetősen hosszú idő, és ez megmagyarázza, hogy miért a müonok alkotják szinte az összes töltött kozmikus sugárzást, amely eléri a Föld felszínét.
Az anyag szerkezetének a legrövidebb távolságokra történő vizsgálatára való képességünk nagy része attól függ, hogy részecskesugarakat hozunk létre és nagy energiára gyorsítjuk őket. Azonban csak négy stabil részecske létezik, amely ilyen módon felhasználható: az elektron és antirészecskéje (pozitron), valamint a proton és antirészecskéje (antiproton).
Az ezekből álló részecskesugarakat már évek óta használják, mégis mindkét párnak vannak hátrányai. Az elektron és társa nagyon könnyű – ha megpróbáljuk felgyorsítani őket, elektromágneses energiát sugároznak ki. Ez hasznos lehet az olyan alkalmazásokban, mint a televízió, de megnehezíti az olyan energiák elérését, amelyekre az univerzum jobb megértéséhez szükségünk van.
Az elektronokkal ellentétben a proton és az antiproton alapvetőbb részecskékből – kvarkokból és gluonokból – épül fel. A proton és az antiproton ütközésében valójában ezek az alapvető részecskék ütköznek, ami alacsonyabb energiájú ütközést eredményez, mint amit akkor kapnánk, ha a protonok valóban alapvető részecskék lennének.
A müonok elég nehezek ahhoz, hogy sokkal kevesebb energiát sugározzanak,de alapvető (nem kisebb részecskékből állnak), így minden energiájuk a vizsgálat rendelkezésére áll. Amikor a tudósok protonokkal létrehozták a Nobel-díjas Higgs-részecskét, egy 10 km átmérőjű gépre volt szükségük: a Nagy Hadronütköztetőre. Egy müongép azonban ezt mindössze 200 méteres kerülettel is el tudná érni.
A müonok hátránya, hogy az elektronokkal és a protonokkal ellentétben instabilak, és elő kell őket állítani, majd gyorsan felhasználni, mielőtt mind elbomlanának. A müonokat úgy tudjuk előállítani, hogy egy keskeny, nagy intenzitású protonnyalábot veszünk, és egy fémből, például titánból készült céltárgyba vezetjük. Ezáltal egy másik alapvető részecske, a pion sugárzása jön létre.
A pionok egy sugárnyalábot alkotnak, amely szétterül. Ha az eredeti protonnyaláb úgy néz ki, mint egy lézermutató, akkor a pionnyaláb inkább egy fáklyasugárhoz hasonlít – az intenzitás a távolsággal rohamosan csökken. A pionok ezután bomlanak, hogy müonokat hozzanak létre, ami azt jelenti, hogy a sugár még jobban szétterül – egy villanykörtére emlékeztetve.
Egy ilyen sugárnyalábot nem tudunk felgyorsítani egy olyan gépben, mint az LHC, ezért olyan sugárnyalábot kell létrehoznunk, amely sokkal kevésbé terjed szét. Ez nagy kihívás, hiszen mindössze két milliomod másodperc áll rendelkezésünkre a sugár előállítására, gyorsítására és ütköztetésére.
A fizikusokból és mérnökökből álló, a világ minden tájáról érkező csapatunk – amelyet Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) néven ismerünk – most megmutatta, hogy ez lehetséges. Egy hűtésnek nevezett folyamatot használtunk, hogy segítsük a sugár tömörítését. Ennek során a müonokat -250°C-os folyékony hidrogénnel töltött tartályon vezetjük át, ami lelassítja a részecskéket. Ezután egy elektromágneses üregben vezettük át őket, amitől a sugár a kívánt irányban felgyorsult.
Ezt többször megismételve olyan sugarat lehet létrehozni, amely sokkal kevésbé szóródik szét és sűrű maggal rendelkezik. Ezt a sugárnyalábot be lehet juttatni egy részecskegyorsítóba, hogy nagy energiájú müonsugarat hozzanak létre. Egy ilyen sugárnyalábot vagy ütköztetni lehet, vagy hagyni kell keringeni, amíg a müonok intenzív neutrínónyalábbá bomlanak – messze meghaladva minden jelenleg előállítható neutrínónyalábot.
A világegyetem kutatása
Sőt, a müonokból létrehozott neutrínónyaláb része a tervezett neutrínógyárnak, amely lehetővé tenné, hogy választ kapjunk számos, a világegyetem eredetével és fejlődésével kapcsolatos kérdésre – például az anyag és az antianyag közötti rejtélyes egyensúlyhiányra.
A neutrínók segíthetnek megérteni annak részleteit is, hogyan terjedtek el az univerzumban az olyan, az élethez nélkülözhetetlen elemek, mint az oxigén, a szén és a szilícium, amelyek a csillagokban keletkeznek. Ezek a nehezebb elemek nem keletkeztek az ősrobbanásban, mégis felelősek a bolygóért, amelyen élünk, és minden életért körülöttünk. Tudjuk, hogy a csillagrobbanásokban (szupernóvákban) felszabaduló neutrínórobbanások felelősek ezért.
Két müonnyalábot is össze tudnánk ütköztetni ugyanúgy, ahogyan a protonokat ütköztetjük az LHC-ben. A protonoknál egyszerűbb müonok lehetővé tennék például a Higgs-részecske tulajdonságainak pontosabb meghatározását.
A müon tulajdonságai az anyagfizika területén is felbecsülhetetlen értékű eszközzé teszik. A szorosabban fókuszált sugárnyalábok létrehozásának képessége javíthatja a jelenlegi méréseket, és új diagnosztikai módszereket nyithat meg.
Módszerünk bármely más töltött részecskesugár intenzitásának növeléséhez is hozzájárulhat. Ez egy hosszú, több mint egy tucat évig tartó projekt volt, de megérte az erőfeszítést, ha belegondolunk, milyen hatékony eszközt hoztunk létre.