Muonen belofte voor nieuwe generatie superversnellers

09-09-2019

Muonen, de zwaardere versie van het elektron, zouden goed een sleutel kunnen blijken voor een nieuwe generatie deeltjesversnellers met veel meer bruikbare bostingsenergie dan de huidige LHC-versneller op CERN.

Die belofte spreekt uit nieuwe resultaten van een experiment met een muonenbundel in de UK, waar ondermeer ook Nikhef betrokken is.

Een internationaal team van onderzoekers van het zogeheten MICE-experiment op het Rutherford Appleton laboratorium bij Oxford, heeft deze zomer de eerste resultaten online gepubliceerd. Het artikel laat zien hoe een bundel muonen met een reservoir vloeibaar waterstof minder grillig kan worden gemaakt.

MICE, Muon Ionisation Cooling Experiment, facility at STFC’s Rutherford Appleton Laboratory, 1st July 2016. The experiment is designed to demonstrate the concept of ionisation cooling of muons to maximise the number of muons available for acceleration, storage and the eventual production of neutirnos in a Neutrino Factory.

Heel bemoedigend, noemt de Nijmeegse deeltjesfysicus Frank Filthaut van Radboud University en Nikhef de uitkomsten. ‘Een muonenversneller is zeker denkbaar’, zegt hij. Tegelijk geeft Filthaut aan dat zo’n versneller nog lang geen feit is. Zelf werkte hij mee aan de eerste MICE-resultaten.

Muonen zijn de zwaardere versie van het negatief geladen elektron. In de meeste eigenschappen lijken ze sprekend op elektronen, maar ze zijn 207 keer zo massief. Grootste verschil is echter dat muonen niet stabiel zijn, anders dan eeuwig levende elektronen vallen ze na ongeveer 2.2 microseconde na hun ontstaan uit elkaar. Die instabiliteit is een van de belangrijkste hindernissen bij het gebruik van de deeltjes in botsingsexperimenten.

Op zich is het idee van een muonenversneller wel al tientallen jaren oud. Het idee van een zwaarder elektronachtig puntdeeltje is aantrekkelijk, omdat er in principe veel energiekere puntbotsingen mee te realiseren zijn.

Experimenten met botsende elektronen en hun antideeltjes heeft de deeltjesfysica een schat aan kennis opgeleverd. Probleem is wel dat er een fysische grens zit aan het versnellen van elektronen, omdat steeds meer versnellingsenergie wordt weggestraald via zogeheten synchrotronstraling.

Dat is een van de redenen dat de LHC-versneller met protonen werkt, die met minder stralingsverliezen in de 27 kilometer lange ondergrondse ring kunnen worden opgejaagd tot behoorlijke energie. Eerder was in dezelfde tunnel de LEP-elektronenversneller geplaatst, die zeventigmaal minder energie heeft dan LHC nu.

Nadeel is wel weer dat protonen geen puntdeeltjes zijn, waardoor zelden alle energie in een botsing wordt gebruikt. Bij een zwaarder elektronachtig puntdeeltje als het muon zijn de stralingsverliezen beperkt, zodat met eenzelfde versneller hogere deeltjesenergie kan worden bereikt. Een LHC-achtige muonversneller zou gemakkelijk tien- tot twintigmaal hogere energie kunnen bereiken dan met protonen, wijzen studies uit.

Daarmee zijn muonversnellers een belangrijke outsider bij de huidige discussies over de toekomst van de deeltjesfysica in Europa, en een eventuele nieuwe versneller. De discussie over zo’n nieuwe machine spitst zich toe op de keus voor meer intensiteit of meer energie. Een intensere bundel maakt detailstudies van de nu gevonden deeltjeswereld mogelijk. Een bundel met veel meer energie zou nog onbekende nieuwe deeltjes kunnen blootleggen.

De huidige MICE-studie is ingediend bij een vooraanstaand wetenschappelijk tijdschrift, maar is al wel online gepubliceerd. De studie laat zien hoe de geproduceerde muonen snel tot een nette bundel zijn te brengen. Daarvoor worden de muonen door een vat vloeibaar waterstof gestuurd dat via ionisatie de snelste deeltjes afremt. Tussendoor worden de deeltjes stapsgewijs versneld. Het MICE-team concludeert dat deze snelle ionisatiekoeling goed bruikbaar is. Aan het experiment in Oxford is meer dan tien jaar gewerkt.

Een snelle vorming van een nette bundel is cruciaal bij muonen, omdat die instabiel zijn. ‘Als je te langzaam bent, zijn ze alweer vervallen’, legt Filthaut uit. Eenmaal in de versneller garandeert wel de relativiteitstheorie dat de rondrazende deeltjes veel langzamer zullen vervallen en dus wel gebruikt kunnen worden voor botsingsexperimenten.

Met het koelingsexperiment MICE is nog maar een aspect van muonersnellers behandeld, benadrukt Filthaut. Ook op de meest effectieve productie van muonen wordt in de wereld nog intensief gestudeerd. De technieken hebben overigens ook veel belangstelling omdat muonbundels uiteenvallen naar ondermeer neutrino’s, weer andere haast massaloze elementaire deeltjes.

Vrijdag 13 september sprak de Italiaanse deeltjesfysicus Nadia Pastrone van INFN over de toekomst van muonversnellers in het Nikhef colloquium in Amsterdam. Haar voordracht ging vooral over nieuwe methodes om efficiënt bundels muonen te produceren.