Faptul că suntem aici este una dintre cele mai mari enigme ale fizicii. Suntem făcuți din particule normale, cum ar fi electronii, dar fiecare astfel de particulă are, de asemenea, un companion de antimaterie care este practic identic cu el însuși, dar cu sarcină opusă. Atunci când materia și antimateria intră în contact, ele se anihilează reciproc într-o străfulgerare de lumină.
Fizica sugerează că materia și antimateria au fost create în cantități aproape egale în Big Bang. Atunci cum se face că astăzi a rămas aproape numai materie – de ce materia și antimateria nu s-au anihilat reciproc pentru a face universul lipsit de viață? Noile noastre cercetări au permis oamenilor de știință să construiască un nou tip de accelerator, bazat pe particule numite muoni, care ne-ar putea ajuta să aflăm.
Un muon este aproape identic cu un electron, cu excepția faptului că este de 207 ori mai greu. Mai mult, acesta se dezintegrează în alte particule în două milionimi de secundă. Această durată de viață, deși scurtă pentru noi, este destul de lungă pentru o particulă fundamentală instabilă, iar acest lucru explică de ce muonii alcătuiesc aproape toate razele cosmice încărcate care ajung la suprafața Pământului.
O mare parte din capacitatea noastră de a investiga structura materiei la distanțe cât mai scurte depinde de crearea unor fascicule de particule și accelerarea lor la energii mari. Cu toate acestea, există doar patru particule stabile care pot fi folosite în acest mod, electronul și antiparticula sa (pozitronul), precum și protonul și antiparticula sa (antiprotonul).
Foi de particule formate din acestea au fost folosite de mulți ani, însă ambele perechi au dezavantaje. Electronul și partenerul său sunt foarte ușoare – atunci când încercăm să le accelerăm, ele radiază energie electromagnetică. Acest lucru este poate fi util pentru aplicații precum televiziunea, dar face dificilă atingerea genului de energii de care avem nevoie pentru a ne îmbunătăți înțelegerea universului.
Spre deosebire de electroni, protonul și antiprotonul sunt alcătuite din particule mai fundamentale – quarci și gluoni. Într-o coliziune între un proton și un antiproton, aceste particule fundamentale sunt cele care se ciocnesc efectiv, rezultând o ciocnire cu o energie mai mică decât cea pe care ați fi obținut-o dacă protonii ar fi fost particule cu adevărat fundamentale.
Muonii sunt suficient de grei încât să radieze mult mai puțină energie,dar fundamentali (nu sunt compuși din particule mai mici) astfel încât toată energia lor este disponibilă pentru investigație. Când oamenii de știință au creat particula Higgs, premiată cu Nobel, cu ajutorul protonilor, au avut nevoie de o mașină cu diametrul de 10 km: Large Hadron Collider. Cu toate acestea, o mașină de muoni ar putea realiza acest lucru cu o circumferință de doar 200 de metri.
Dezavantajul muonilor este că, spre deosebire de electroni și protoni, aceștia sunt instabili și trebuie să fie produși și apoi utilizați rapid înainte de a se dezintegra toți. Putem produce muoni luând un fascicul îngust și de mare intensitate de protoni și trimițându-l într-o țintă făcută dintr-un metal, cum ar fi titanul. Acest lucru produce un fascicul de o altă particulă fundamentală numită pion.
Pionii formează un fascicul care se împrăștie. Dacă fasciculul original de protoni seamănă cu un pointer laser, fascicululul de pioni seamănă mai degrabă cu un fascicul de lanternă – cu intensitatea scăzând rapid odată cu distanța. Pionii se dezintegrează apoi pentru a produce muoni, ceea ce înseamnă că fasciculul se răspândește și mai mult – semănând cu un bec.
Nu putem accelera un astfel de fascicul într-o mașină precum LHC, așa că trebuie să creăm un fascicul care să se împrăștie mult mai puțin. Acest lucru este o provocare, având în vedere că avem la dispoziție doar două milionimi de secundă pentru a-l produce, accelera și ciocni.
Dar echipa noastră de fizicieni și ingineri, din întreaga lume – cunoscută sub numele de Muon Ionisation Ionisation Cooling Experiment (MICE) – a demonstrat acum că este posibil. Am folosit un proces cunoscut sub numele de răcire pentru a ajuta la comprimarea fasciculului. Acesta presupune trecerea muonilor printr-un recipient cu hidrogen lichid la -250°C, încetinind particulele. Apoi le-am trecut printr-o cavitate electromagnetică, ceea ce a făcut ca fasciculul să accelereze în direcția dorită.
Prin repetarea acestui procedeu de mai multe ori este posibil să se creeze un fascicul care se împrăștie mult mai puțin și are un miez dens. Acest fascicul poate fi injectat într-un accelerator de particule pentru a produce un fascicul de muoni de înaltă energie. Un astfel de fascicul poate fi fie ciocnit, fie lăsat să circule până când muonii se dezintegrează într-un fascicul intens de neutrini – cu mult peste orice fascicul de neutrini care poate fi produs în prezent.
Probarea universului
De fapt, un fascicul de neutrini creat din muoni face parte dintr-un proiect de Fabrica de neutrini, care ne-ar permite să răspundem la multe întrebări legate de originea și evoluția universului – cum ar fi misteriosul dezechilibru dintre materie și antimaterie.
Neutrinii ne-ar putea ajuta, de asemenea, să înțelegem detaliile legate de modul în care elementele esențiale pentru viață, cum ar fi oxigenul, carbonul și siliciul, care se formează în stele, se răspândesc în univers. Aceste elemente mai grele nu au fost produse în Big Bang și totuși sunt responsabile pentru planeta pe care trăim și pentru toată viața din jurul nostru. Știm că exploziile de neutrini, care sunt eliberate în timpul exploziilor stelare (supernove), sunt responsabile.
Am putea, de asemenea, să ciocnim două fascicule de muoni în același mod în care ciocnim protoni la LHC. Muonii, fiind mai simpli decât protonii, ar permite o determinare mai precisă a proprietăților particulei Higgs, de exemplu.
Proprietățile muonului îl fac, de asemenea, un instrument neprețuit în domeniul fizicii materialelor. Capacitatea de a crea fascicule mai bine focalizate ar putea îmbunătăți măsurătorile actuale și ar putea deschide noi metode de diagnosticare.
Metoda noastră poate fi, de asemenea, utilizată pentru a ajuta la creșterea intensității oricăror alte fascicule de particule încărcate. A fost un proiect îndelungat, care a durat peste o duzină de ani, dar a meritat efortul când ne gândim ce instrument puternic am creat.
.