Lần đầu tiên thuần hóa các hạt muon cơ bản thành chùm tia có kiểm soát

Một cột mốc đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc thiết kế các máy gia tốc hạt rẻ hơn và nhỏ hơn.

Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà nghiên cứu đã gia tốc được các hạt muon – hạt anh em không bền và nặng hơn của các electron – vào một chùm tia có kiểm soát một cách chặt chẽ, qua đó đem đến việc tạo ra một máy gia tốc muon gần hơn với thực tế.

Một nhóm nghiên cứu tại Khu phức hợp nghiên cứu máy gia tốc proton Nhật Bản (J-PARC) ở Tokai đã bắn một tia laser vào một luồng muon khiến cho các hạt đang chuyển động nhanh tới gần trạng thái đứng yên. Sau đó, họ đưa một điện trường vào để gia tốc các hạt muon “lạnh” đó tới vận tốc khoảng 4% tốc độ ánh sáng. Phát hiện này, vẫn còn chưa được bình duyệt, đã được đưa lên trang arXiv dưới dạng tiền ấn phẩm vào ngày 15/10/2024.

Kỳ tích này là “một bước tiến lớn lao” trong cách tiếp cận cần thiết để xây dựng một máy gia tốc muon, có thể hữu dụng trong việc đem lại những đo lường vô cùng nhạy cần thiết để khám phá thứ vật lý mới mà vẫn có tiềm năng ít chi phí hơn, nhỏ hơn so với những máy gia tốc hạt khác, theo đánh giá của Tova Holmes, một nhà vật lý hạt ở ĐH Tennessee, Knoxville.

Các muon là những hạt cơ bản có thời gian sống ngắn, được nhận diện là gần như các hạt electron nhưng nặng hơn 200 lần. Hơn thập kỷ qua, có nhiều nỗ lực hướng tới việc xây dựng một máy gia tốc compact muon có thể đạt được hoặc vượt quá các mức năng lượng của các máy gia tốc proton và electron quy mô lớn, như máy gia tốc hạt lớn có đường kính 27 km tại CERN. Một máy gia tốc muon đường kính 10 km có thể tạo ra những hạt có mức năng lượng như những cỗ máy proton đường kính 90 km. Nguyên nhân là bởi các hạt muon là các hạt cơ bản và tất cả năng lượng của chúng đều từ sự va chạm lẫn nhau. Ngược lại, các va chạm proton xuất hiện giữa những hạt quark cấu thành nên chúng.

Các hạt đặc biệt

Nhưng các hạt muon thường vô cùng khó để gia tốc vì chúng chỉ tồn tại trong khoảng 2 micro giây trước khi phân rã thành một electron và hai dạng neutrino. Chúng cũng phóng đi theo nhiều hướng khác nhau tại các tốc độ khác nhau, điều đó khiến khó thuần hóa chúng thành một chùm tia cường độ cao. Dẫu các nhà nghiên cứu có thể gia tốc được các muon nhưng chùm tia này lại “có sự bất đồng cao”, theo đồng tác giả nghiên cứu Shusei Kamioka, một nhà vật lý hạt ở Tổ chức nghiên cứu máy gia tốc năng lượng cao tại Tsukuba, Nhật Bản. Kết quả là các chùm tia thường khó được sử dụng cho các phép đo chính xác.

Để vượt qua được rào cản này, Kamioka và cộng sự đã bắn một chùm tia hạt muon tích điện dương – phản hạt của muons mà người ta gọi là phản muon – vào các aerogel silic, một vật liệu dạng rỗng thường được sử dụng làm chất cách nhiệt. Khi các phản muon va chạm các electron trong aerogel, các nguyên tử trung hòa của ‘muonium’ được hình thành. Các nhà nghiên cứu gia nhiệt bằng một tia laser vào các nguyên tử đó để loại các hạt electron của nó ra xa, đưa nó trở lại thành các hạt phản muon hầu như bị đóng băng tại chỗ. Quá trình làm lạnh này khiến cho vận tốc và hướng của các hạt đồng nhất.

Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu dùng một điện trường để gia tốc các hạt muon đã bị chậm lại tới một mức năng lượng 100 kiloelectronvolts, đạt tới vận tốc khoảng bằng 4% vận tốc ánh sáng.

Dẫu kết quả này có hứa hẹn nhưng vẫn còn một con đường dài trước khi các máy gia tốc muon thành hiện thực, Holmes nói. Cách tiếp cận này có thể cần thiết để nâng quy mô chế tạo những chùm tia có cường độ cao và mức hội tụ cao hơn, cô nói.

Kamioka cho rằng ông và cộng sự đang phát triển công nghệ cần thiết để gia tốc muon tới 94% vận tốc ánh sáng, và hy vọng đạt được cột mốc nay vào năm 2028. “Đó là cột mốc tiếp theo của chúng tôi”, ông nói.

Bên cạnh việc thiết kế một máy gia tốc tương lai, các nhà vật lý có thể sử dụng các chùm tia muon năng lượng cao trong các thực nghiệm có thể vượt qua mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt, cũng như đo lường chính xác độ từ tính bí ẩn của muon – vốn chứng tỏ mạnh hơn so với dự đoán lý thuyết, Kamioka nhận xét.

Nguyễn Nhàn dịch từ Nature

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-024-03460-9