素粒子物理学者はミュオン衝突型加速器を夢見る

Aug 08, 2023

何年も不明瞭なままに過ごした後、素粒子物理学者の間でミューオン衝突型加速器の提案が勢いを取り戻しつつある

素粒子物理学者は伝道者である可能性は低いですが、論文、会議、T シャツ、ステッカー、ミームなどで、その多くがミューオン衝突型加速器 (ミュー粒子の巨大な親戚であるミューオンを衝突させる次世代の機械) の良い言葉を広めています。電子。 2021年のマニフェスト「ミューオン・スマッシャーズ・ガイド」の中で、粒子党派は自分たちの主張を説明した。 「私たちがコライダーを構築するのは、すでに知っていることを確認するためではなく、私たちが知らないことを探索するためです」と彼らは書いています。 「ミュオンが呼んでいるから、行かなければなりません。」

支持者にとって、ミュー粒子衝突型加速器の魅力は、既存の 2 種類の衝突型加速器の長所を組み合わせられる可能性であるということです。 これらの巨大な機械は通常、地下のリングで陽子または電子のいずれかを衝突します。 これらの衝突の余波を記録することにより、物理学者は亜原子の土地の様子に関する情報を収集することができます。 各方法には長所と短所があります。 重い陽子は、実際にはより小さく、より基本的な粒子が多数集まった束であり、破片が詰まった乱雑な高エネルギー衝突を引き起こします。 軽量の電子はきれいに衝突しますが、エネルギーは低くなります。

今日の最高の施設である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、宇宙の最も基本的な領域の地図として機能する理論である標準モデルの限界を調査するために陽子を衝突させます。 マップとしては、標準モデルは失敗まで成功しています。 これは、素粒子とそれらを結びつける力の既知の状況を正確に描写しており、理論からの逸脱が大きく報道されるほどです。 しかし、すべての地図と同様に、標準模型には境界があります。標準模型には重力が含まれておらず、暗黒物質の正体などの謎に対する答えは現時点ではありません。

物理学者はミューオンの衝突に成功したことがない。主な理由は、粒子が崩壊するまでの生存期間はわずか 2.2 マイクロ秒であるからだ。 ミュオンを乱すことができれば、クリーンで高エネルギーの衝突が発生するため、標準模型の境界を越えて探索するのに理想的です。 ミュオンでは、「自然は私たちに贈り物を与えてくれました。 それを活用すべきだ」とストーニーブルック大学の理論家パトリック・ミードは主張する。

将来の衝突型加速器の運命は、頭韻的に名付けられた素粒子物理プロジェクト優先順位パネル (P5) にかかっています。このパネルは、研究課題を設定し、主要プロジェクトへの資金提供を推奨するために 10 年ごとに招集される強力な委員会です。 P5報告書は今秋に発表される予定で、多くの物理学者はその報告書にミュオン衝突器の強力な推進が含まれることを期待している。

将来の衝突型加速器が新しい粒子を発見するという保証はありませんが、支持者たちはミュー粒子が持つ発見の可能性に熱心に取り組んでいます。 実際に生きたミュオン衝突型加速器が実現する未来は、まだ遠い先の話です。 最速で最も楽観的なタイムラインでも、ミューオン衝突型加速器は少なくとも 20 年間は作動しないでしょう。 しかし、物理学者たちはすでにミュオンを使ってどこを探索できるかを夢見ています。 マサチューセッツ工科大学の理論家カリ・セザロッティ氏は、「私たちは前例のないことを行う機会に恵まれています」と語る。 「10年前にあった障害は解消されつつあります。 今がその時だ！ だから私にとっては、なぜそれをやりたくないのですか？」

ミューオンの問題は、ミューオンが死んでしまうことです。 それらの短い寿命の間に、それらは冷却され、集束され、ほぼ光の速度まで加速される必要がある。最も実行可能なアプローチは、ミュオンを液体水素などの媒体に通過させ、ミュオンのエネルギーを奪うことから始まります。 次に、強力な磁石がミューオンを集束させ、ループ内に加速して崩壊する前に衝突させることができます。 この計画のバリエーションは何十年も前から存在しており、あるデザインは美術館のらせん状のコンコースに似ていることから「グッゲンハイム」と呼ばれました。

これがどの程度実現可能なのかに興味を持ったエネルギー省は、2011 年にミュー粒子の衝突の実現可能性を調査する小規模な研究開発活動であるミュオン加速器プログラム (MAP) を設立しました。 加速器物理学者のチームは、どの設計が最も効果的かを確認するために、衝突型加速器のコンピューター モデルの作成に取り組みました。 しかし、その取り組みが軌道に乗ったまさにそのとき、2つの発見がミューオン衝突型加速器の終焉を告げるかのように思われた。