Физики элементарных частиц мечтают о мюонном коллайдере

Jul 13, 2023

После многих лет, проведенных в безвестности, предложения о мюонном коллайдере вновь набирают обороты среди физиков элементарных частиц.

Физики элементарных частиц вряд ли являются евангелистами, но в статьях, на конференциях, с помощью футболок, наклеек и мемов многие из них распространяют добрые слова о мюонном коллайдере — машине следующего поколения, которая будет сталкивать друг с другом мюоны, массивных родственников мюонов. электроны. В манифесте 2021 года «Руководство по уничтожению мюонов» сторонники частиц изложили свою точку зрения. «Мы строим коллайдеры не для того, чтобы подтвердить то, что мы уже знаем, а для того, чтобы исследовать то, чего мы не знаем», — написали они. «Мюоны зовут, и нам пора идти».

Для сторонников мюонный коллайдер привлекателен тем, что он способен объединить сильные стороны двух существующих типов коллайдеров. Эти массивные машины обычно сталкивают либо протоны, либо электроны в подземных кольцах. Записывая последствия этих столкновений, физики могут собрать информацию о строении субатомной земли. У каждого метода есть свои плюсы и минусы. Тяжелые протоны, каждый из которых на самом деле представляет собой множество более мелких, более фундаментальных частиц, создают беспорядочные, засоренные обломками высокоэнергетические столкновения. Легкие электроны сталкиваются чисто, но при более низких энергиях.

Главный объект сегодняшнего дня, Большой адронный коллайдер (БАК), разбивает протоны, чтобы исследовать пределы Стандартной модели, теории, которая служит картой самой фундаментальной территории во Вселенной. В качестве карты Стандартная модель оказалась неудачной. Она точно описывает известный ландшафт элементарных частиц и сил, которые их связывают, — настолько хорошо, что любое отклонение от теории привлекает заголовки газет. Но, как и все карты, Стандартная модель имеет границы: она не включает гравитацию и в настоящее время не имеет ответов на такие загадки, как идентичность темной материи.

Физикам никогда не удавалось успешно сталкивать мюоны, прежде всего потому, что частицы живут всего 2,2 микросекунды, прежде чем распадутся. Если бы мюоны можно было урегулировать, они бы создавали столкновения, которые были бы одновременно чистыми и высокоэнергетическими, что идеально подходило бы для исследования за пределами Стандартной модели. В мюонах «природа преподнесла нам подарок; мы должны этим воспользоваться», — утверждает Патрик Мид, теоретик из Университета Стоуни-Брук.

Судьба любого будущего коллайдера зависит от аллитеративно названной Группы по определению приоритетов проектов по физике элементарных частиц (P5), влиятельного комитета, который собирается каждое десятилетие, чтобы определить программы исследований и рекомендовать финансирование ключевых проектов. Отчет P5 должен выйти этой осенью, и многие физики надеются, что он будет включать в себя мощный толчок к созданию мюонного коллайдера.

Нет никаких гарантий, что какой-либо будущий коллайдер обнаружит новые частицы, но сторонники теории с энтузиазмом относятся к потенциалу открытий, который таят в себе мюоны. Будущее с настоящим живым мюонным коллайдером остается далёким. Даже в самом быстром и оптимистичном графике мюонный коллайдер не запустится, по крайней мере, в течение двух десятилетий. Но физики уже мечтают о том, где можно будет исследовать мюоны. «У нас есть возможность сделать что-то беспрецедентное», — говорит Кари Чезаротти, теоретик Массачусетского технологического института. «Блокноты, которые существовали 10 лет назад, исчезают. Сейчас самое время! Для меня это просто вопрос: почему бы тебе не захотеть этого сделать?»

Проблема с мюонами в том, что они умирают. За время своего короткого существования их необходимо охладить, сфокусировать и ускорить почти до скорости света. Самый жизнеспособный подход начинается с пропускания мюонов через такую ​​среду, как жидкий водород, что отнимает у них энергию. Затем мощные магниты смогут фокусировать мюоны и ускорять их, образуя петлю, в которой они сталкиваются перед тем, как распасться. Вариации этого плана существовали на протяжении десятилетий — один проект был назван «Гуггенхаймом» из-за его сходства со спиралевидным вестибюлем музея.

Заинтересовавшись тем, насколько это осуществимо, в 2011 году Министерство энергетики основало Программу ускорителей мюонов (MAP) — небольшую исследовательскую и опытно-конструкторскую работу по изучению возможности столкновения мюонов. Команда физиков-ускорителей приступила к созданию компьютерных моделей коллайдеров, чтобы увидеть, какие конструкции могут работать лучше всего. Но как только работа стартовала, два открытия, по-видимому, положили конец любому мюонному коллайдеру.