私たちがここにいるという事実は、物理学における最大の謎の一つです。 私たちは電子のような通常の粒子から作られていますが、そのような粒子はすべて、それ自身と事実上同じであるが、反対の電荷を持つ反物質の仲間も持っているのです。
物理学では、物質と反物質はビッグバンでほぼ同量に作られたことが示唆されています。 では、なぜ現在ではほとんど物質しか残っていないのでしょうか。なぜ物質と反物質は互いに消滅して宇宙が生命を失うことにならなかったのでしょうか。
ミューオンは電子とほとんど同じですが、207倍も重いことが特徴です。 さらに、ミューオンは200万分の1秒で他の粒子に崩壊します。 この寿命は、我々にとっては短いものですが、不安定な基本粒子としてはかなり長いもので、これがミューオンが地表に到達する荷電宇宙線のほとんどすべてを構成している理由を説明しています。 しかし、この方法で使用できる安定した粒子は、電子とその反粒子（陽電子）、陽子とその反粒子（反陽子）の4つだけです。
これらの組からなる粒子ビームは長年にわたって使用されてきましたが、これらには両方とも欠点があります。 電子とそのパートナーは非常に軽いので、加速しようとすると電磁エネルギーを放射してしまいます。 これは、テレビなどのアプリケーションには有効ですが、宇宙の理解を深めるために必要なエネルギーに到達するのは難しいのです。
陽子と反陽子は、電子とは異なり、より基本的な粒子であるクォークとグルーオンから構成されています。 陽子と反陽子の衝突では、実際に衝突するのはこれらの基本粒子であり、陽子が本当に基本粒子であった場合よりも低いエネルギーでの衝突となります。
ミューオンは十分に重いので放射するエネルギーはずっと小さく、しかし基本的（小さな粒子で構成されていない）なので、そのエネルギーはすべて調査に利用できます。 ノーベル賞を受賞したヒッグス粒子を陽子で作ったとき、科学者たちは直径10kmの装置、すなわち大型ハドロン衝突型加速器を必要としました。
ミューオンの欠点は、電子や陽子と違って不安定で、すべて崩壊する前に生成し、迅速に利用する必要があることです。 私たちは陽子の細い高強度のビームをチタンのような金属でできた標的に当てるとミューオンを生成することができます。 これはパイ中間子と呼ばれる別の基本粒子のビームを生成するものです。
パイオンはビームを形成して扇形に広がる。 陽子ビームがレーザーポインターのようだとすると、パイ中間子のビームはトーチビームのようで、距離が離れると強度が急激に低下する。 パイ中間子は崩壊してミューオンを生成し、ビームはさらに広がり、電球のようになります。
LHCのような装置でこのようなビームを加速することはできないので、より広がりの少ないビームを作る必要があります。 しかし、世界中の物理学者とエンジニアからなる私たちのチーム（Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE)として知られています）は、それが可能であることを明らかにしました。 私たちは、ビームを圧縮するために冷却と呼ばれるプロセスを使用しました。 これは、-250℃の液体水素を入れた容器にミューオンを通過させ、粒子の速度を落とすというものです。
これを何度か繰り返すことで、広がりが少なく、芯が密なビームを作ることができるのです。 このビームを粒子加速器に入射して、高エネルギーのミューオンビームを生成することができます。 このようなビームは、ミューオンが崩壊して強烈なニュートリノになるまで衝突させるか、あるいはそのまま放置しておくことができます。
宇宙を探る
実際、ミューオンから作られるニュートリノ・ビームは、計画中のニュートリノ工場の一部で、宇宙の起源と進化に関する多くの疑問、例えば物質と反物質の間の不思議なアンバランスに答えることができるようになります。
また、ニュートリノは、星で形成される酸素、炭素、シリコンなどの生命に不可欠な元素が、どのようにして宇宙に広がっていったのか、その詳細を理解するのに役立つ可能性があります。 これらの重い元素はビッグバンでは生成されなかったが、私たちの住む惑星や周囲のすべての生命を支えている。 私たちは、星の爆発（超新星爆発）の際に放出されるニュートリノのバーストが原因であることを知っています。
LHCで陽子を衝突させるのと同じように、2本のミューオンのビームを衝突させることも可能です。 ミューオンは陽子よりも単純なので、例えばヒッグス粒子の性質をより正確に決定することができるでしょう。
ミューオンの性質は、物質物理の分野でも貴重な道具になります。 より集束度の高いビームを作ることができれば、現在の測定値を向上させ、新しい診断方法を切り開くことができるでしょう。
私たちの方法は、他の荷電粒子ビームの強度を上げるのにも使えるかもしれません。 十数年にわたる長いプロジェクトであったが、我々が作り出した強力な道具を考えると、努力に値するものであった。