Het feit dat we hier überhaupt zijn, is een van de grootste raadsels van de fysica. Wij zijn gemaakt van normale deeltjes, zoals elektronen, maar elk van die deeltjes heeft ook een antimateriegenoot die vrijwel identiek is aan zichzelf, maar met een tegengestelde lading. Wanneer materie en antimaterie met elkaar in contact komen, vernietigen zij elkaar in een lichtflits.
De fysica suggereert dat materie en antimaterie in bijna gelijke hoeveelheden zijn ontstaan in de oerknal. Hoe komt het dan dat er nu bijna alleen nog maar materie is – waarom hebben de materie en antimaterie elkaar niet vernietigd en is het heelal levenloos geworden? Ons nieuwe onderzoek heeft wetenschappers in staat gesteld een nieuw type versneller te bouwen, gebaseerd op deeltjes genaamd muonen, die ons zouden kunnen helpen dit uit te vinden.
Een muon is bijna identiek aan een elektron, behalve dat het 207 keer zwaarder is. Bovendien vervalt het in andere deeltjes in twee miljoenste van een seconde. Deze levensduur, hoewel kort voor ons, is vrij lang voor een onstabiel fundamenteel deeltje, en dit verklaart waarom muonen bijna alle geladen kosmische stralen vormen die het aardoppervlak bereiken.
Veel van ons vermogen om de structuur van materie op de kortste afstanden te onderzoeken hangt af van het creëren van deeltjesbundels en deze te versnellen tot hoge energieën. Er zijn echter slechts vier stabiele deeltjes die op deze manier kunnen worden gebruikt, het elektron en zijn antideeltje (positron), en het proton en zijn antideeltje (antiproton).
Deeltjesbundels die uit deze deeltjes bestaan worden al vele jaren gebruikt, maar beide paren hebben nadelen. Het elektron en zijn partner zijn zeer licht – wanneer wij trachten hen te versnellen, stralen zij elektromagnetische energie uit. Dit kan nuttig zijn voor toepassingen zoals TV, maar maakt het moeilijk om het soort energie te bereiken dat we nodig hebben om ons begrip van het heelal te verbeteren.
In tegenstelling tot elektronen zijn het proton en het anti-proton opgebouwd uit meer fundamentele deeltjes – quarks en gluonen. Bij een botsing tussen een proton en een anti-proton zijn het deze fundamentele deeltjes die daadwerkelijk botsen, wat resulteert in een botsing met een lagere energie dan het geval zou zijn geweest als protonen echt fundamentele deeltjes waren geweest.
De muonen zijn zo zwaar dat ze veel minder energie uitstralen, maar fundamenteel (niet opgebouwd uit kleinere deeltjes), zodat al hun energie beschikbaar is voor het onderzoek. Toen wetenschappers het met een Nobelprijs bekroonde Higgsdeeltje met protonen creëerden, hadden ze een machine met een diameter van 10 km nodig: de Large Hadron Collider. Een muonmachine zou dit echter kunnen bereiken met een omtrek van slechts 200 meter.
Het nadeel van muonen is dat ze, in tegenstelling tot elektronen en protonen, onstabiel zijn en dus moeten worden geproduceerd en daarna snel moeten worden gebruikt voordat ze allemaal vervallen. Wij kunnen muonen produceren door een smalle bundel protonen met hoge intensiteit in een metaal, zoals titanium, te laten stromen. Dit produceert een bundel van een ander fundamenteel deeltje, de pion.
Pionen vormen een bundel die uitwaaiert. Lijkt de oorspronkelijke protonenbundel op een laserpointer, de pionenbundel lijkt meer op een fakkelbundel – met een intensiteit die snel afneemt met de afstand. De pionen vervallen dan om de muonen te produceren, wat betekent dat de bundel zich nog verder verspreidt – als een gloeilamp.
We kunnen zo’n bundel niet versnellen in een machine als de LHC, dus moeten we een bundel maken die veel minder uitwaaiert. Dit is een uitdaging, omdat we maar twee miljoenste van een seconde hebben om de bundel te produceren, te versnellen en te laten botsen.
Maar ons team van natuurkundigen en ingenieurs uit de hele wereld – bekend als het Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) – heeft nu aangetoond dat het mogelijk is. We gebruikten een proces dat bekend staat als koeling om de bundel te helpen comprimeren. Dit houdt in dat de muonen door een vat met vloeibare waterstof van -250°C worden geleid, waardoor de deeltjes worden afgeremd. Vervolgens hebben we ze door een elektromagnetische holte geleid, waardoor de bundel in de gewenste richting versnelde.
Door dit verschillende keren te herhalen is het mogelijk een bundel te maken die veel minder uitwaaiert en een dichte kern heeft. Deze bundel kan in een deeltjesversneller worden geïnjecteerd om een hoogenergetische muonenbundel te produceren. Een dergelijke bundel kan ofwel in botsing worden gebracht, ofwel in circulatie worden gelaten totdat de muonen vervallen in een intense bundel neutrino’s – veel meer dan enige neutrino-bundel die thans kan worden geproduceerd.
Proberen van het heelal
In feite maakt een neutrino-bundel die uit muonen wordt gemaakt deel uit van een geplande Neutrino Fabriek, die ons in staat zou stellen vele vragen te beantwoorden die verband houden met de oorsprong en evolutie van het heelal – zoals de mysterieuze onevenwichtigheid tussen materie en antimaterie.
Neutrino’s zouden ons ook kunnen helpen begrijpen hoe levensnoodzakelijke elementen zoals zuurstof, koolstof en silicium, die in sterren worden gevormd, zich over het heelal hebben verspreid. Deze zwaardere elementen zijn niet in de oerknal ontstaan en zijn toch verantwoordelijk voor de planeet waarop wij leven en al het leven om ons heen. Wij weten dat de uitbarstingen van neutrino’s, die vrijkomen bij sterexplosies (supernova’s), hiervoor verantwoordelijk zijn.
We zouden ook twee bundels muonen op elkaar kunnen laten botsen, op dezelfde manier als we protonen op elkaar laten botsen bij de LHC. De muonen, die eenvoudiger zijn dan de protonen, zouden het mogelijk maken de eigenschappen van bijvoorbeeld het Higgsdeeltje nauwkeuriger te bepalen.
De eigenschappen van het muon maken het ook tot een instrument van onschatbare waarde op het gebied van de materiaalfysica. De mogelijkheid om bundels te maken die dichter bij elkaar liggen, kan de huidige metingen verbeteren en nieuwe diagnostische methoden mogelijk maken.
Onze methode kan ook worden gebruikt om de intensiteit van andere bundels geladen deeltjes te helpen verhogen. Het is een lang project geweest van meer dan een dozijn jaar, maar het is de moeite waard geweest als we bedenken wat een krachtig instrument we hebben gecreëerd.