colisionador de muones

Un colisionador de muones es un proyecto de acelerador de partículas en fase de diseño conceptual que colisiona haces de muones para estudios de precisión del Modelo Estándar y para la búsqueda directa de nueva física. Los muones pertenecen a la segunda generación de leptones ; se producen típicamente en colisiones de alta energía, ya sea de forma natural (por ejemplo, mediante colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre ) o artificial (en entornos controlados utilizando aceleradores de partículas ). El principal desafío de un colisionador de este tipo es la corta vida útil de los muones.

Los colisionadores de leptones anteriores han utilizado electrones y/o sus antipartículas , los positrones . Ofrecen una ventaja sobre los colisionadores de hadrones , como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC ) del CERN , ya que las colisiones de leptones son relativamente "limpias" debido a que los leptones son partículas elementales , mientras que los hadrones , como los protones , son partículas compuestas. Sin embargo, los colisionadores de electrones y positrones no pueden alcanzar de manera eficiente la misma energía en el centro de masas que los colisionadores de hadrones en aceleradores circulares debido a la pérdida de energía por radiación sincrotrón .

Un muón es aproximadamente 206 veces más masivo que un electrón , lo que reduce la cantidad de radiación sincrotrón emitida por un muón en un factor de aproximadamente mil millones. Esta menor pérdida de radiación permite la construcción de colisionadores circulares con energías de diseño mucho mayores que las de los colisionadores de electrones y positrones equivalentes. Esto proporciona la combinación única de alta energía en el centro de masas y un entorno de colisión limpio que no se puede lograr en ningún otro tipo de colisionador de partículas. Se ha demostrado que un colisionador de muones podría alcanzar energías de varios teraelectronvoltios (TeV). ^{[ 1 ]} En particular, partiendo de una energía en el centro de masas de 3 TeV, un colisionador de muones es el tipo de colisionador más eficiente energéticamente, mientras que a 10 TeV tendría un alcance físico comparable al del colisionador de hadrones de 100 TeV propuesto, FCC-hh , ^{[ 2 ]} al tiempo que cabría en un anillo del tamaño del LHC ( 27 kilómetros (17 mi) ), sin necesidad de un túnel mucho más costoso de 100 kilómetros (62 mi) de longitud previsto para el Future Circular Collider . Un colisionador de muones también proporciona una forma limpia y eficaz de producir bosones de Higgs . ^{[ 3 ]}  

Los muones son partículas de corta duración con una vida media de 2,2 μs en su sistema de referencia en reposo. Este hecho supone un serio desafío para el complejo acelerador: los muones deben acelerarse a una alta energía antes de que se desintegren, y el acelerador necesita una fuente continua de nuevos muones. También afecta al diseño del experimento: un alto flujo de partículas inducidas por los productos de la desintegración de los muones llega finalmente al detector, lo que requiere tecnologías de detección avanzadas y algoritmos de reconstrucción de eventos para distinguir estas partículas de los productos de colisión. El método básico de producción de muones considerado actualmente se basa en un haz de protones de alta energía que incide sobre un blanco para producir piones , que luego se desintegran en muones con una considerable dispersión de dirección y energía, que debe reducirse para su posterior aceleración en el anillo. La posibilidad de realizar este llamado enfriamiento 6D de muones ha sido demostrada por el Experimento de Enfriamiento por Ionización de Muones (MICE). ^{[ 4 ]} Un método de producción alternativo, el acelerador de muones de baja emitancia (LEMMA), ^{[ 5 ]} utiliza un haz de positrones que incide sobre un blanco fijo para producir pares de muones a partir del proceso de aniquilación electrón-positrón en el umbral de energía del centro de masas. El haz resultante no necesita la etapa de enfriamiento, pero sufre de una sección transversal de producción de muones muy baja, lo que dificulta lograr una alta luminosidad con las fuentes de positrones existentes.

Las conversaciones continuaron en 2009. ^{[ 7 ] [ 8 ]} El primer diseño dedicado del complejo acelerador y el diseño del detector para energías en el centro de masa de hasta 3 TeV se desarrolló dentro del Programa Americano de Aceleradores de Muones (MAP) durante 2010–2015, ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} después de lo cual fue abandonado. ^{[ 14 ]} El interés en el proyecto del Colisionador de Muones ha aumentado nuevamente en 2020 después de la publicación de la comparación de alcance físico entre el Colisionador de Muones de 1,5 TeV y el experimento CLIC, ^{[ 15 ]} seguida de la actualización de la estrategia europea para la física de partículas, en la que se recomendó iniciar un estudio de diseño internacional de un Colisionador de Muones dirigido a energías en el centro de masa cercanas a 10 TeV. ^{[ 16 ]}

En 2024, investigadores del Complejo de Investigación de Aceleradores de Protones de Japón (J-PARC) lograron acelerar muones positivos por primera vez. El proceso consistió en crear átomos de muonio disparando un haz controlado de antimuones contra un aerogel de sílice . La colisión con electrones en el aerogel formó muonio, que luego fue despojado de electrones mediante un láser para generar antimuones estacionarios. Estos antimuones fueron congelados para mantenerlos estáticos. Mediante un campo eléctrico, los investigadores aceleraron los muones positivos estacionarios a velocidades del 4 % de la velocidad de la luz (~12 millones de metros por segundo). Este logro marcó un hito significativo en el desarrollo de colisionadores de muones, con el objetivo de acelerar los muones al 94 % de la velocidad de la luz para 2028. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

• Experimento Internacional de Enfriamiento por Ionización de Muones
• Fábrica de neutrinos

• Gibney, Elizabeth (8 de agosto de 2022). "Los físicos de partículas quieren construir el primer colisionador de muones del mundo" . Nature . 608 (7924): 660– 661. Bibcode : 2022Natur.608..660G . doi : 10.1038/d41586-022-02122-y . PMID 35941386 .