Fakt, że w ogóle tu jesteśmy, jest jedną z największych zagadek fizyki. Jesteśmy zbudowani z normalnych cząstek, takich jak elektrony, ale każda taka cząstka ma również towarzysza antymaterię, która jest praktycznie identyczna jak ona sama, ale o przeciwnym ładunku. Kiedy materia i antymateria stykają się ze sobą, anihilują się w błysku światła.
Fizyka sugeruje, że materia i antymateria zostały stworzone w niemal równych ilościach w Wielkim Wybuchu. Jak to się więc stało, że dziś pozostała prawie tylko materia – dlaczego materia i antymateria nie unicestwiły się nawzajem, pozbawiając wszechświat życia? Nasze nowe badania umożliwiły naukowcom zbudowanie nowego typu akceleratora, opartego na cząstkach zwanych mionami, który może pomóc nam się tego dowiedzieć.
Mion jest niemal identyczny z elektronem, z tą różnicą, że jest 207 razy cięższy. Co więcej, rozpada się na inne cząstki w ciągu dwóch milionowych części sekundy. Ten czas życia, choć dla nas krótki, jest dość długi jak na niestabilną cząstkę fundamentalną i to wyjaśnia, dlaczego miony stanowią prawie wszystkie naładowane promienie kosmiczne, które docierają do powierzchni Ziemi.
Większość naszej zdolności do badania struktury materii na najmniejszych odległościach zależy od tworzenia wiązek cząstek i przyspieszania ich do wysokich energii. Istnieją jednak tylko cztery stabilne cząstki, które mogą być użyte w ten sposób, elektron i jego antycząstka (pozyton) oraz proton i jego antycząstka (antyproton).
Wiązki cząstek składające się z tych cząstek są używane od wielu lat, jednak obie te pary mają wady. Elektron i jego partner są bardzo lekkie – gdy próbujemy je przyspieszyć, wypromieniowują energię elektromagnetyczną. Może to być przydatne w takich zastosowaniach jak telewizja, ale utrudnia osiągnięcie takich energii, jakich potrzebujemy do lepszego zrozumienia wszechświata.
W przeciwieństwie do elektronów, proton i antyproton składają się z bardziej fundamentalnych cząstek – kwarków i gluonów. W zderzeniu protonu i antyprotonu to właśnie te fundamentalne cząstki faktycznie się zderzają, dając w rezultacie zderzenie o niższej energii niż ta, którą uzyskalibyśmy, gdyby protony były naprawdę fundamentalnymi cząstkami.
Miony są na tyle ciężkie, że emitują znacznie mniej energii, ale fundamentalne (nie składają się z mniejszych cząstek), więc cała ich energia jest dostępna do badania. Kiedy naukowcy stworzyli nagrodzoną Nagrodą Nobla cząstkę Higgsa za pomocą protonów, potrzebowali maszyny o średnicy 10 km: Wielkiego Zderzacza Hadronów. Maszyna mionowa mogłaby to osiągnąć przy obwodzie zaledwie 200 metrów.
Wadą mionów jest to, że w przeciwieństwie do elektronów i protonów są niestabilne i muszą być produkowane, a następnie szybko wykorzystywane, zanim wszystkie się rozpadną. Możemy produkować miony biorąc wąską wiązkę protonów o dużym natężeniu i kierując ją w stronę tarczy wykonanej z metalu, np. tytanu. W ten sposób powstaje wiązka innej fundamentalnej cząstki zwanej pionem.
Piony tworzą wiązkę, która się rozchodzi. Jeśli oryginalna wiązka protonów wygląda jak wskaźnik laserowy, to wiązka pionów przypomina raczej wiązkę z pochodni – z intensywnością gwałtownie spadającą wraz z odległością. Piony następnie rozpadają się, aby wytworzyć miony, co oznacza, że wiązka rozchodzi się jeszcze bardziej – przypominając żarówkę.
Nie możemy przyspieszyć takiej wiązki w maszynie takiej jak LHC, więc musimy stworzyć wiązkę, która rozchodzi się znacznie mniej. Jest to trudne, biorąc pod uwagę, że mamy tylko dwie milionowe części sekundy na jej wytworzenie, przyspieszenie i zderzenie.
Ale nasz zespół fizyków i inżynierów z całego świata – znany jako Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) – pokazał, że jest to możliwe. W celu skompresowania wiązki użyliśmy procesu zwanego chłodzeniem. Polega on na przepuszczeniu mionów przez pojemnik z ciekłym wodorem o temperaturze -250°C, co spowalnia cząstki. Następnie przepuściliśmy je przez wnękę elektromagnetyczną, co spowodowało przyspieszenie wiązki w wymaganym kierunku.
Powtarzając tę czynność kilka razy, można stworzyć wiązkę, która znacznie mniej się rozchodzi i ma gęste jądro. Wiązka ta może być wstrzyknięta do akceleratora cząstek w celu wytworzenia wysokoenergetycznej wiązki mionów. Taką wiązkę można albo zderzyć, albo pozostawić w obiegu, aż miony rozpadną się na intensywną wiązkę neutrin – znacznie przewyższającą jakąkolwiek wiązkę neutrin, którą można obecnie wytworzyć.
Przebadanie wszechświata
W rzeczywistości wiązka neutrin stworzona z mionów jest częścią planowanej Fabryki Neutrin, która pozwoliłaby nam odpowiedzieć na wiele pytań związanych z pochodzeniem i ewolucją wszechświata – takich jak tajemnicza nierównowaga między materią a antymaterią.
Neutrina mogłyby również pomóc nam zrozumieć szczegóły tego, jak niezbędne do życia pierwiastki, takie jak tlen, węgiel i krzem, które powstają w gwiazdach, rozprzestrzeniły się po wszechświecie. Te cięższe pierwiastki nie zostały wytworzone w Wielkim Wybuchu, a jednak są odpowiedzialne za planetę, na której żyjemy i całe życie wokół nas. Wiemy, że odpowiedzialne są za to wybuchy neutrin, które są uwalniane podczas eksplozji gwiazd (supernowych).
Moglibyśmy również zderzyć dwie wiązki mionów w taki sam sposób, w jaki zderzamy protony w LHC. Miony, będąc prostsze od protonów, pozwoliłyby na bardziej precyzyjne określenie własności np. cząstki Higgsa.
Właściwości mionów czynią z nich również nieocenione narzędzie w dziedzinie fizyki materiałowej. Zdolność do tworzenia bardziej skupionych wiązek może poprawić obecne pomiary i otworzyć nowe metody diagnostyczne.
Nasza metoda może być również wykorzystana do zwiększenia intensywności wiązek innych cząstek naładowanych. Był to długi, kilkunastoletni projekt, ale warto było podjąć ten wysiłek, jeśli weźmiemy pod uwagę, jak potężne narzędzie udało nam się stworzyć.