First measurement of the low-momentum negative-muon beam for the muon-to-electron conversion experiment at J-PARC

In de subatomaire wereld volgen deeltjes meestal een strikt regelboek: een muon, een zware neef van het elektron, zou uiteindelijk moeten vervallen in een elektron en enkele onzichtbare deeltjes, maar het zou nooit simpelweg in een elektron moeten veranderen terwijl het stilzit binnen een atoom. Natuurkundigen zoeken al lang naar een zeldzame uitzondering op deze regel, een proces waarbij een muon tot stilstand komt in een metalen doelwit en direct transformeert in een elektron zonder dat er andere deeltjes verschijnen. Als deze transformatie zou worden gevonden, zou het het Standaardmodel van de deeltjesfysica, de huidige beste theorie over hoe het universum werkt, verbrijzelen en wijzen op geheel nieuwe krachten of deeltjes. Om dit vluchtige evenement te vangen, hebben wetenschappers een machine nodig die een zeer specifiek soort straal kan leveren: een stroom van langzaam bewegende, negatief geladen muonen, zorgvuldig gefilterd en geleid naar een precies stoppunt. De uitdaging is dat deze deeltjes moeilijk te produceren zijn en nog moeilijker te sturen, vooral wanneer ze langzaam bewegen.

Bij het Japan Proton Accelerator Research Complex heeft een team van onderzoekers onlangs een cruciale stap gezet richting het bouwen van de machine die nodig is voor deze zoektocht. Ze voerden de eerste testloop uit van een nieuwe faciliteit die ontworpen is om deze langzame muonen te vangen en te transporteren. Het experiment, bekend als Fase-α, was niet de uiteindelijke zoektocht naar de transformatie zelf, maar eerder een vitale engineeringtest om te bewijzen dat de faciliteit daadwerkelijk de straal kan leveren waarvoor hij is ontworpen. De onderzoekers vuurden een krachtige bundel protonen op een doelwit om een stortregen van nieuwe deeltjes te creëren, en gebruikten vervolgens een enorme, gebogen magnetische tunnel om door het puin te sorteren. Hun doel was om te zien of ze de langzame, negatieve muonen succesvol door deze tunnel konden leiden en naar het experimentele gebied konden gidsen, waar ze zouden stoppen en zouden wachten tot de zeldzame transformatie plaatsvindt.

Het team gebruikte een gespecialiseerde detector genaamd een Range Counter om de muonen te tellen die de reis hadden voltooid. Dit apparaat werkt als een val: het laat geladen deeltjes binnen, vertraagt ze met lagen grafiet en stopt ze in een blok koper. Wanneer een muon in het koper tot stilstand komt, vervalt het uiteindelijk en zendt het een korte tijd later een elektron uit. Door te wachten op dit vertraagde elektron, kan de detector bevestigen dat een muon daar tot stilstand is gekomen, waardoor het onderscheid gemaakt kan worden met de chaotische achtergrond van andere deeltjes. De onderzoekers kwamen tot de conclusie dat ze er inderdaad in geslaagd waren om een meetbare straal van langzame negatieve muonen naar het experimentele gebied te transporteren. De straal was geen wilde spuit van deeltjes; hij was geconcentreerd in het laag-momentumgebied, wat betekent dat de muonen zich op de vereiste lage snelheden bevonden voor het toekomstige experiment.

Het team bracht ook de vorm van de straal in kaart terwijl deze door de gebogen magnetische tunnel reisde. Ze ontdekten dat de straal niet in een perfect rechte lijn of een uniforme cirkel bewoog. In plaats daarvan dreef de straal in een specifieke richting, waarbij de opbrengst van de straal sterker werd onderdrukt bij het bewegen van de detector omhoog vergeleken met het bewegen van de detector omlaag. Dit patroon kwam overeen met de voorspellingen van de natuurkunde over hoe geladen deeltjes zich gedragen in een gebogen magnetisch veld, wat bevestigde dat de magnetische krachten de straal precies zo stuurden als de ontwerpers bedoeld hadden. De onderzoekers vergeleken hun real-world metingen met een gedetailleerde computersimulatie van het gehele proces. Hoewel de simulatie de algemene vorm en het gedrag van de straal correct voorspelde, was het werkelijke aantal gemeten muonen ongeveer dertig procent hoger dan de computer had geschat.

Dit verschil is geen falen, maar een waardevolle ontdekking. Het vertelt de wetenschappers dat hun huidige modellen over hoe deze deeltjes worden geproduceerd en hoe ze interageren met de materialen in de straallijn, iets incompleet zijn. Het feit dat de straal überhaupt arriveerde, en dat het gedrag ervan overeenkwam met de verwachte fysica van het magnetische veld, bewijst dat de faciliteit klaar is voor de volgende fase. Het experiment heeft succesvol aangetoond dat het complexe systeem van magneten en tunnels de langzame, negatieve muonen kan leveren die nodig zijn voor de hoofdzakelijke zoektocht. Met deze eerste graadmeter vastgesteld, heeft het team nu echte gegevens om hun computermodellen te verfijnen, zodat ze bij de uitvoering van het volledige experiment precies weten hoeveel muonen ze kunnen verwachten en waar ze zich zullen bevinden. Deze succesvolle testrun markeert de overgang van het bouwen van de machine naar het begrijpen van hoe deze werkt, en legt de noodzakelijke basis voor de toekomstige zoektocht naar nieuwe fysica.