Wetenschappers hebben een sleuteltechnologie gedemonstreerd om de volgende generatie hoogenergetische deeltjesversnellers mogelijk te maken.

Deeltjesversnellers worden gebruikt om de samenstelling van materie te onderzoeken in versnellers zoals de Large Hadron Collider, en voor het meten van de chemische structuur van medicijnen, kanker behandelen en siliciummicrochips maken.

Tot dusver, de versnelde deeltjes waren protonen, elektronen en ionen, in geconcentreerde stralen. Echter, een internationaal team genaamd de Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) samenwerking, waaronder onderzoekers van het Imperial College London, proberen een muonstraal te creëren.

Muonen zijn deeltjes zoals elektronen, maar met een veel grotere massa. Dit betekent dat ze kunnen worden gebruikt om bundels te maken met tien keer meer energie dan de Large Hadron Collider.

Muonen kunnen ook worden gebruikt om de atomaire structuur van materialen te bestuderen, als katalysator voor kernfusie en om door zeer dichte materialen te kijken waar röntgenstraling niet doorheen kan.

Succes van een cruciale stap

MICE heeft vandaag het succes aangekondigd van een cruciale stap in het creëren van een muonstraal - de muonen bijeenbrengen tot een volume dat klein genoeg is om botsingen waarschijnlijker te maken. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in Natuur .

Het experiment werd uitgevoerd met behulp van de MICE muon-bundellijn bij de Science and Technology Facilities Council (STFC) ISIS Neutron and Muon Beam-faciliteit op de Harwell Campus in het VK.

Professor Ken Long, van de afdeling natuurkunde van Imperial, is de woordvoerder van het experiment. Hij zei:"Het enthousiasme, toewijding, en het harde werk van de internationale samenwerking en de uitstekende ondersteuning van laboratoriumpersoneel bij STFC en van instituten over de hele wereld hebben deze baanbrekende doorbraak mogelijk gemaakt."

Muonen worden geproduceerd door een bundel protonen in een doelwit te slaan. De muonen kunnen vervolgens worden gescheiden van het puin dat bij het doelwit is gecreëerd en door een reeks magnetische lenzen worden geleid. De verzamelde muonen vormen een diffuse wolk, dus als het erop aankomt ze te laten botsen, de kans dat ze elkaar raken en interessante fysieke verschijnselen veroorzaken, is erg laag.

Om de wolk minder diffuus te maken, een proces genaamd bundelkoeling wordt gebruikt. Dit houdt in dat de muonen dichter bij elkaar komen en in dezelfde richting bewegen. Echter, tot nu toe konden magnetische lenzen de muonen alleen maar dichter bij elkaar brengen, of laat ze in dezelfde richting bewegen, maar niet allebei tegelijk.

Koelende muonen

De MICE-samenwerking heeft een geheel nieuwe methode getest om deze unieke uitdaging aan te gaan, de muonen afkoelen door ze door speciaal ontworpen energieabsorberende materialen te brengen. Dit werd gedaan terwijl de bundel zeer strak werd gefocusseerd door krachtige supergeleidende magnetische lenzen.

Nadat de bundel is afgekoeld tot een dichtere wolk, de muonen kunnen door een normale deeltjesversneller in een precieze richting worden versneld, waardoor het veel waarschijnlijker is dat de muonen botsen. Alternatief, de koude muonen kunnen worden afgeremd zodat hun vervalproducten kunnen worden bestudeerd.

Dr. Chris Rogers, gevestigd in de ISIS-faciliteit van STFC en de Physics Coordinator van de samenwerking, legde uit:"MICE heeft een geheel nieuwe manier aangetoond om een ​​deeltjesbundel in een kleiner volume te persen. Deze techniek is nodig om een ​​succesvolle muon-botser te maken, die zelfs beter zou kunnen presteren dan de Large Hadron Collider."

"Demonstratie van koeling door het Muon Ionization Cooling Experiment" is gepubliceerd in Natuur .