뮤온을 풀어 라! 물리학의 돌파구는 새로운 종류의 입자 충돌기로 이어질 것입니다

뮤온 이온화 냉각 실험 (MICE).

차세대 아톰 스 매셔는 100km 원형 링 이 될 수 있으며 , 비용 은 100 억 달러가 넘으며 지난 10 년간의 힉스 보손만큼 화려한 것을 찾을 수 있다는 약속도 없습니다. 하지만 물리학의 미래가 그렇게 커야할까요? 연구자들이 더 작은 기술을 사용하여 가장 작은 입자의 비밀을 조사 할 수 있다면 어떨까요?

과학자들은 뮤온이라고하는 불안정한 입자를 가속화하는보다 효율적인 종류의 입자 가속기를 생산하는 데 방해가되는 가장 큰 문제 중 하나를 방금 극복했습니다. 뮤온 충돌기는 현재 기술을 기반으로 한 도시 순환 충돌기보다 적은 공간과 적은 비용으로 더 높은 에너지의 경계를 잠재적으로 탐색 할 수 있습니다.

Illinois Institute of Technology의 입자 물리학자인 Daniel Kaplan은 Gizmodo에 “이 미래의 하드론 충돌기와 경쟁 할 수있는 뮤온 충돌기가 훨씬 더 저렴할 것이라고 확신하는 것 같습니다 . Kaplan은 Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) 에 대한 미국 협력자들의 컨소시엄을 이끌고 있습니다.

오늘날 입자 충돌기는 새로운 아 원자 입자를 찾고 입자가 서로 상호 작용하는 방식에 대한 새로운 통찰력을 찾고 우리 우주가 작동하는 방식에 대한 이론을 테스트합니다. 이들 두 입자의 클래스 중 양성자 가속하여이를  (및 이온의 형태로 양성자 덩어리 ) 또는 전자와 그 반입자, 양전자, 검출기 내부에서 함께 분쇄합니다. 그러나 이러한 입자에는 단점이 있습니다. 양성자는 쿼크라고하는 하위 구조로 구성되어 있으므로 충돌시 정보가 손실됩니다. 무엇과 충돌하고 최종 제품을 유발했는지 추적하기가 어렵 기 때문입니다. 전자는 내부 구조가 알려져 있지 않지만 방향을 바꿀 때 복사를 생성합니다. 즉, 효율적인 전자 가속기는 매우 똑 바르고 길어야합니다.

뮤온은 이러한 문제 중 일부를 해결합니다. 전자와 같은 점 입자이지만 200 배 더 무겁고 방향을 바꿀 때 방사능을 많이 방출하지 않습니다.

그러나 뮤온은 작업하기 어렵게 만드는 자체 문제가 있습니다. 그들은 약 2 마이크로 초 안에 다른 입자로 붕괴됩니다. 그리고 물리학 자들이 뮤온을 생산하는 방식 (양성자 빔을 표적에 충돌시켜 뮤온과 뮤온으로 붕괴되는 파이온이라고하는 다른 입자를 직접 생성)은 빔보다 무작위로 움직이는 입자의 스프레이를 더 많이 생성합니다. 실험에서 사용할 수있는 꽉 찬 뮤온 소스를 얻으려면 뮤온이 붕괴되기 전에 스프레이를 빔에 정렬하는 방법이 필요합니다.

이번 주 Muon Ionization Cooling Experiment (MICE)의 물리학 자
들은 20 년 간의 엔지니어링 노력과 수십 년간의 이론적 작업의 결과를 발표했습니다. 개념 증명은 이온화 냉각이라는 방법을 사용하여 뮤온 빔을 만드는 첫 번째 단계를 보여줍니다 .

이온화 냉각은 무작위로 움직이는 뮤온을 가져와 냉각 장치를 통과시킵니다. 이 장치는 자기장을 생성하는 12 개의 초전도 코일로 구성되며,이 코일은 뮤온이 통과하는 알루미늄 "창"으로 22 리터의 액체 수소 용기를 둘러싸고 있습니다. 그런 다음 뮤온은 수소 원자를 이온화 (즉, 전자를 떨어 뜨림)하여 에너지를 수소 원자로 전달하고 장치의 반대쪽에 시준 된 빔을 나타냅니다. 무선 주파수 캐비티와 자석은 그 빔을 물리 실험에 필요한 에너지로 가속화합니다.

이론 물리학 자들은 1970 년대 후반과 80 년대 초에 이온화 냉각 방법을 처음 고안했지만 극복하기 어려웠다 고 MICE 실험이 수행 된 STFC Rutherford Appleton Laboratory의 물리학자인 Chris Rogers는 설명했습니다.

 Rogers는 “우리가 생성하는 데 필요한 종류의 자기장을 [주어진] 엄청난 엔지니어링 과제” 라고 말했습니다. 물리학 자들이 실제로 장치를 만드는 것을 고려한 것은 2000 년대 초반이었습니다. 그들에게 동기를 부여한 이유 중 하나는 물질과 거의 상호 작용하지 않지만 오늘날 물리학 자들이 가장 시급한 질문의 주제 인 일종의 아 원자 입자 인 중성미자에 대한 관심 증가였습니다. 뮤온은 중성미자로 붕괴되므로 뮤온 빔은 중성미자 빔으로 유용 할 수 있습니다.

MICE 연구원들은 2012 년 데이터 수집을 시작하여 2017 년 데이터 수집을 완료하고 2 년 동안 데이터를 분석했습니다. 그들의 분석은 시스템이 의도 한 효과를 가지고 정말 일부 제거했다는 것을 보여주는, 냉각 시스템 이전과 이후 빔 측정 에 따르면, 뮤온의 임의의 움직임을 종이 자연에 발표했다.

MICE에 참여하지 않은 다른 물리학 자들은이 실험적인 힘에 대해 흥분했습니다. Oregon State University의 입자 물리학자인 Heidi Schellman은 Gizmodo에“이것을보고 정말 기쁩니다. 그녀는 특히 강력한 자석을 활용하는 능력에 깊은 인상을 받았습니다.이 자석은 제대로 제어하지 않으면 소멸 되어 장비에 손상을 줄 수 있습니다. Schellman은 중성미자 과학에서이 기술의 잠재적 인 응용을 보게되어 기뻤다 고 말했다.

빔을 냉각하는 것이 뮤온 가속기를 실현하는 데있어 가장 큰 문제 였을 수 있지만해야 할 일이 더 많습니다. 연구원들은 냉각 방법이 효과가 있음을 보여 주었을 뿐이며 아직까지 본격적인 충돌체에 필요한 종류의 빔을 생성하지 않았습니다. 일단 그렇게하면 물리학 자들은 설계를 기반으로보다 비용 효율적인 충돌체를 설계 할 수 있습니다. 그러나 그 발견은 그 자체로 흥미 롭습니다. Rogers는“저를 가장 흥분시키는 것은 우리가 가진 새로운 기능입니다. "우리가 보여준 것은 이제 가속을 위해 새로운 입자를 준비 할 수 있다는 것입니다."

입자 가속기는 이미 물리학 실험, 의학 및 기타 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 아마도 이러한 뮤온은 물리학 자들이 아직 생각하지 않은 응용 프로그램을 허용 할 것입니다.

설명 :이 기사는 연구자들이 냉각 방법이 효과가 있음을 입증 할 수 있었지만 빔을 완전히 냉각 시키지는 않았 음을 명확히하기 위해 업데이트되었습니다. 빔이 풀 스케일 파티클 콜 라이더에서 사용할 준비가되기 전에 더 많은 작업이 필요합니다.

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