Det faktum att vi överhuvudtaget finns här är en av fysikens största gåtor. Vi består av normala partiklar som elektroner, men varje sådan partikel har också en antimateriell följeslagare som är praktiskt taget identisk med den själv, men med motsatt laddning. När materia och antimateria kommer i kontakt med varandra förintar de varandra i en ljusblixt.
Fysiken tyder på att materia och antimateria skapades i nästan lika stora mängder i Big Bang. Så hur kommer det sig att det nästan bara finns materia kvar idag – varför förintade inte materia och antimateria varandra för att göra universum livlöst? Vår nya forskning har gjort det möjligt för forskare att bygga en ny typ av accelerator, baserad på partiklar som kallas muoner, som kan hjälpa oss att ta reda på det.
En muon är nästan identisk med en elektron, förutom att den är 207 gånger tyngre. Dessutom sönderfaller den till andra partiklar på två miljondelar av en sekund. Denna livstid, även om den är kort för oss, är ganska lång för en instabil fundamental partikel, och detta förklarar varför myoner utgör nästan all laddad kosmisk strålning som når jordens yta.
En stor del av vår förmåga att undersöka materiens struktur på de kortaste avstånden beror på att vi skapar strålar av partiklar och accelererar dem till höga energier. Det finns dock bara fyra stabila partiklar som kan användas på detta sätt, nämligen elektronen och dess antipartikel (positron) samt protonen och dess antipartikel (antiproton).
Partikelstrålar som består av dessa har använts i många år, men båda dessa par har nackdelar. Elektronen och dess partner är mycket lätta – när vi försöker accelerera dem utstrålar de elektromagnetisk energi. Detta kan vara användbart för tillämpningar som TV, men gör det svårt att nå den typ av energi som vi behöver för att förbättra vår förståelse av universum.
I motsats till elektroner består proton och antiproton av mer grundläggande partiklar – kvarkar och gluoner. Vid en kollision mellan en proton och en antiproton är det dessa fundamentala partiklar som faktiskt kolliderar, vilket resulterar i en krock med lägre energi än vad man skulle ha fått om protoner hade varit verkligt fundamentala partiklar.
Muonerna är tillräckligt tunga för att utstråla mycket mindre energi,men fundamentala (består inte av mindre partiklar) så att all deras energi är tillgänglig för undersökningen. När forskarna skapade den Nobelprisbelönade Higgs-partikeln med protoner behövde de en maskin med en diameter på 10 km: Large Hadron Collider. En muonmaskin skulle dock kunna åstadkomma detta med en omkrets på bara 200 meter.
Nackdelen med muoner är att de, till skillnad från elektroner och protoner, är instabila och måste produceras och sedan snabbt användas innan de alla sönderfaller. Vi kan producera myoner genom att ta en smal, högintensiv strål av protoner och köra den in i ett mål av en metall, till exempel titan. Detta ger upphov till en stråle av en annan grundläggande partikel som kallas pion.
Pioner bildar en stråle som fläktar ut. Om den ursprungliga protonstrålen ser ut som en laserpekare, ser pionstrålen mer ut som en fackellampa – med en intensitet som snabbt sjunker med avståndet. Pionerna sönderfaller sedan för att producera myoner, vilket innebär att strålen sprider sig ännu mer – och liknar en glödlampa.
Vi kan inte accelerera en sådan stråle i en maskin som LHC, så vi måste skapa en stråle som sprider sig mycket mindre. Detta är en utmaning med tanke på att vi bara har två miljondels sekunder på oss att producera, accelerera och kollidera den.
Men vårt team av fysiker och ingenjörer från hela världen – känt som Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) – har nu visat att det är möjligt. Vi använde en process som kallas kylning för att hjälpa till att komprimera strålen. Detta innebär att muonerna passerar genom en behållare med flytande väte vid -250 °C, vilket gör att partiklarna blir långsammare. Därefter skickade vi dem genom en elektromagnetisk kavitet, vilket fick strålen att accelerera i önskad riktning.
Genom att upprepa detta flera gånger är det möjligt att skapa en stråle som sprider sig mycket mindre och har en tät kärna. Denna stråle kan injiceras i en partikelaccelerator för att producera en myonstråle med hög energi. En sådan stråle kan antingen kollideras eller lämnas att cirkulera tills myonerna sönderfaller till en intensiv neutrinostråle – långt mer än någon neutrinostråle som för närvarande kan produceras.
Probing the universe
I själva verket är en neutrinostråle som skapas av myoner en del av en planerad neutrinofabrik, som skulle göra det möjligt för oss att besvara många frågor om universums ursprung och utveckling – till exempel den mystiska obalansen mellan materia och antimateria.
Neutriner skulle också kunna hjälpa oss att förstå detaljerna kring hur livsviktiga grundämnen som syre, kol och kisel, som bildas i stjärnor, sprids över universum. Dessa tyngre grundämnen bildades inte i Big Bang och är ändå ansvariga för den planet vi lever på och allt liv omkring oss. Vi vet att det är neutriner som frigörs i samband med stjärnornas explosioner (supernovor) som är orsaken till detta.
Vi skulle också kunna kollidera två strålar av muoner på samma sätt som vi kolliderar protoner vid LHC. Eftersom muonerna är enklare än protonerna skulle det vara möjligt att mer exakt bestämma till exempel Higgs-partikelns egenskaper.
Muonens egenskaper gör den också till ett ovärderligt verktyg inom materialfysiken. Möjligheten att skapa mer närfokuserade strålar kan förbättra de nuvarande mätningarna och öppna upp för nya diagnostiska metoder.
Vår metod kan också användas för att bidra till att öka intensiteten hos alla andra strålar av laddade partiklar. Det har varit ett långt projekt som pågått i över ett dussin år, men det har varit värt ansträngningen när vi tänker på vilket kraftfullt verktyg vi har skapat.