LH$\mu$C Concept: Energy-Frontier Antimuon-Proton Collisions at CERN

Om het universum te begrijpen, hebben wetenschappers lang vertrouwd op het tegen elkaar aan smijten van deeltjes met ongelooflijke snelheden. Wanneer protonen, de zware bouwstenen van atomen, botsen, onthullen ze de krachten die materie bij elkaar houden. Maar om echt te zien hoe deze krachten werken, moeten natuurkundigen vaak een lichter, nauwkeuriger probe naar het proton afvuren. Decennialang gebruikten ze elektronen voor deze taak. Echter, elektronen zijn zo licht dat ze een enorme hoeveelheid energie verliezen wanneer ze gedwongen worden een bocht te maken in een circulaire machine, wat het onmogelijk maakt om de hoogste energieën te bereiken die nodig zijn om de diepste geheimen van het atoom te verkennen. Muonen zijn neven van elektronen, maar ze zijn ongeveer tweehonderd keer zwaarder. Vanwege dit extra gewicht verliezen ze niet zo gemakkelijk energie tijdens het draaien, waardoor ze veel hogere snelheden in een ring kunnen bereiken. Dit artikel verkent een gedurfd nieuw idee: het gebruik van een bundel antimuonen, de spiegelbeeldige tweelingen van muonen, om tegen protonen te botsen in de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider bij CERN. Het doel is om een machine te creëren die kan inzoomen op de structructuur van materie met een energieniveau dat ver boven wat momenteel mogelijk is ligt, wat potentieel mysteries kan oplossen over waarom het universum massa heeft en hoe de sterke kernkracht zich gedraagt.

De onderzoekers, Arda Goroglu en Saleh Sultansoy, presenteren een gedetailleerd concept voor een faciliteit die zij de LHµC noemen. Deze machine zou niet vanaf nul worden gebouwd, maar zou een slimme toevoeging zijn aan de bestaande infrastructuur van de Large Hadron Collider. De kern van het voorstel houdt in dat er een bundel antimuonen wordt gegenereerd en versneld tot een energie van één biljoen elektronvolt, of één tera-elektronvolt. Deze hooggesnelde antimuonen zouden vervolgens in het pad worden gestuurd van de zeven-tera-elektronvolt protonen die al in de hoofdring circuleren. Wanneer deze twee bundels botsen, creëren ze een energie in het centrum van massa van 5,3 tera-elektronvolt. Dit is een enorme sprong voorwaarts; het is bijna vijf keer energieker dan de vorige beste elektron-proton collider en aanzienlijk hoger dan enige andere voorgestelde lepton-hadron machine voor het komende decennium. Het team berekende dat deze opstelling een botsingsfrequentie, of luminositeit, zou kunnen bereiken van ongeveer 8,8 maal 10 tot de macht 33 botsingen per vierkante centimeter per seconde, een getal dat wetenschappers in staat stelt om in een enkel jaar enorme hoeveelheden gegevens te verzamelen.

Het pad naar het creëren van deze bundel steunt op een specifieke technologie waarbij gebruik wordt gemaakt van "ultrakoude" antimuonen. In tegen tegenover het moeilijke proces van het koelen van standaard muonbundels, wat complexe en onbewezen methoden vereist, gebruikt deze aanpak een bron die al is ontwikkeld voor andere experimenten. Het proces begint met het afvuren van een krachtige bundel protonen op een doelwit om pionen te creëren, die snel vervallen in muonen. Deze muonen worden vervolgens gestopt in een speciaal doelwit waar ze worden omgezet in een gas van ultrakoude antimuonen. Vanaf daar zou een reeks versnellers, inclusclusief een boosterring en een hoofdopslagring, hen versnellen tot hun uiteindelijke snelheid. Het artikel suggereert dat deze booster geïnstalleerd zou kunnen worden in een tunnel die oorspronkelijk ontworpen was voor een ander project, de LHeC, waardoor een gefaseerde constructie mogelijk is waarbij de faciliteit eerst gebruikt kan worden voor elektronbotsingen en later kan worden geüpgraded voor antimuonbotsingen. Dit hergebruik van bestaande ruimte en de afhankelijkheid van gevestigde ultrakoude muontechnologie maakt het project levensvatbaarder dan andere voorstellen die moeten wachten op volledig nieuwe doorbraken in koeling.

Zodra de machine in bedrijf is, is het fysica-potentieel immens. Het primaire doel is om te fungeren als een krachtige microscoop voor Kwantumchromodynamica, de theorie die beschrijft hoe quarks en gluonen samenkomen om protonen en neutronen te vormen. Huidige experimenten hebben slechts het oppervlak van hoe deze deeltjes zich gedragen bij extreem hoge energieën en zeer kleine afstanden aangeraakt. Deze nieuwe collider zou wetenschappers in staat stellen regio's van het proton te verkennen die nog nooit eerder zijn gezien, wat potentieel onthult hoe de sterke kracht de massa van zichtbare materie creëert, die verantwoordelijk is voor ongeveer 99 procent van de massa in het universum. Naast de standaardfysica biedt de machine een unieke kans om te zoeken naar nieuwe deeltjes. De auteurs simuleren hoe de collider zou zoeken naar "kleur-octet muonen", hypothetische zware partners van het muon die zouden aangeven dat het muon geen fundamenteel deeltje is maar uit kleinere onderdelen bestaat. Hun berekeningen suggereren dat deze machine dergelijke deeltjes zou kunnen ontdekken bij massa's tot 4,4 tera-elektronvolt, een bereik dat aanzienlijk hoger is dan wat de huidige Large Hadron Collider kan bereiken, en dat het met veel minder gegevens zou kunnen doen.

Het artikel behandelt ook de aanzienlijke technische hindernissen die nog bestaan. De meest kritieke uitdaging is de snelle versnelling van de antimuonbundel. Omdat muonen onstabiel zijn en in een fractie van een seconde vervallen in andere deeltjes, moet het gehele acceleratieproces ongelooflijk snel gebeuren, binnen ongeveer één milliseconde, voordat de bundel verdwijnt. Het team stelt een speciaal type versneller voor dat geen magneten nodig heeft om hun sterkte te veranderen, waardoor de bundel intact blijft terwijl hij versnelt. Een andere uitdaging is de straling die wordt geproduceerd door de vervallende muonen, wat een regen van neutrino's creëert die de omliggende apparatuur kan beschadigen. Het ontwerp bevat een zware tungsten nozzle om de detector af te schermen en de acceptatie van de bundel te beperken, zodat alleen de meest nuttige botsingen worden geregistreerd. Hoewel de auteurs deze moeilijkheden erkennen, betogen zij dat de technologie snel vordert en dat de wetenschappelijke opbrengst de inspanning rechtvaardigt.

Concluderend schetst dit artikel een realistische en ambitieuze roadmap voor de volgende generatie deeltjesfysica. Door de hoogenergetische protonenbundels van de Large Hadron Collider te combineren met een nieuw ontwikkelde bundel van ultrakoude antimuonen, belooft het LHµC-concept een venster te openen op de fundamentele structuur van materie die decennialang gesloten is gebleven. Het is geen gegarandeerd succes, aangezien het afhangt van het demonstreren van het vermogen om genoeg antimuonen te produceren en ze snel genoeg te versnellen, maar de simulaties laten zien dat als deze technische stappen worden ondernomen, het resultaat een machine zal zijn die in staat is om energieën en verschijnselen te verkennen die momenteel buiten bereik liggen. Deze faciliteit zou niet alleen helpen verklaren waarom het universum massa heeft, maar ook de precieze gegevens bieden die nodig zijn om de resultaten van toekomstige, nog grotere deeltjesversnellers te interpreteren, waarmee het zijn plaats veiligstelt als een essentieel instrument voor het begrijpen van de wetten van de natuur.