Het muon, de zwaardere versie van het elektron, kan een sleutel worden voor een nieuwe generatie deeltjesversnellers met tienmaal meer bruikbare botsingsenergie dan de huidige LHC-versneller op CERN.
Die belofte spreekt uit nieuwe resultaten van een proef met een muonenbundel in het Verenigd Koninkrijk, waarbij ondermeer Nikhef betrokken is. Een artikel over de experimenten verschijnt op 6 februari in het tijdschrift Nature. Muonen zijn net als het elektron negatief geladen puntdeeltjes, maar ruim 200 elektronmassa’s zwaar.
Het zogeheten MICE-experiment op het Rutherford Appleton laboratorium bij Oxford, laat zien hoe muonen met filters van vloeibaar waterstof en focusmagneten in een nette bundel kunnen worden gebracht. Die bundel kan daarna in een reguliere deeltjesversneller verder worden opgejaagd voor botsingsexperimenten.
Heel bemoedigend, noemt de Nijmeegse deeltjesfysicus Frank Filthaut van Radboud University en Nikhef de uitkomsten. ‘Een muonenversneller is nu 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 en hij is een van de auteurs in Nature.
Muonen lijken, afgezien van hun grotere massa, in de meeste eigenschappen sprekend op elektronen. Groot verschil is echter dat muonen niet stabiel zijn. Anders dan stabiele elektronen vallen muonen in ongeveer 2 miljoenste seconde na hun ontstaan uit elkaar.
Die instabiliteit is een van de belangrijkste hindernissen bij het gebruik van de deeltjes in botsingsexperimenten. Conventionele technieken om deeltjesbundels te koelen nemen uren in beslag.
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 hebben de deeltjesfysica een schat aan kennis opgeleverd. Probleem is wel dat er een fysische grens zit aan het versnellen van elektronen in een cirkelvormige versneller, omdat steeds meer versnellingsenergie wordt weggestraald via zogeheten synchrotronstraling.
Dat is een van de redenen dat de LHC-versneller met veel zwaardere 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. Daarin werden elektronen en anti-elektronen versneld.
Ook het muon is zwaarder dan elektronen en kan daardoor met veel minder verliezen worden opgejaagd in een versneller als de LHC of zijn opvolgers. Anders dan het proton (dat uit drie quarks bestaat) is het muon een puntdeeltje, waardoor de bundelenergie effectief in een botsing wordt benut. Botsingen van puntdeeltjes zijn ook veel makkelijker te analyseren.
Een LHC-achtige muonversneller zou gemakkelijk tien- tot twintigmaal hogere energie kunnen bereiken dan met protonen, wijzen berekeningen uit.
De MICE-studie laat zien hoe de geproduceerde muonen snel tot een nette bundel zijn te brengen. Daarvoor worden de muonen door een reeks filters met vloeibaar waterstof gestuurd die via ionisatie de deeltjesbewegingen haaks op de bundel afremmen en de wolk muonen homogeniseren.
Om de verliezen in de filters te compenseren moeten de deeltjes in een muonversneller daartussen ook weer opnieuw versneld worden. Het MICE-team concludeert dat deze snelle ionisatiekoeling effectief kan zijn. 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 allemaal vervallen’, legt Filthaut uit. Eenmaal in de versneller garandeert de relativiteitstheorie wel dat de rondrazende deeltjes veel langzamer zullen vervallen en dus wel gebruikt kunnen worden voor botsingsexperimenten.
Met het koelingsexperiment MICE is nog maar één aspect van toekomstige muonversnellers behandeld, benadrukt Filthaut wel. Ook op de meest effectieve productie van muonen wordt in de wereld nog intensief gestudeerd. Muonen worden gemaakt door protonen op een metaaltrefplaat te sturen, waardoor pionen ontstaan, die vervallen tot muonen en neutrino’s.
De productietechnieken voor muonen hebben overigens ook veel belangstelling omdat muonen uiteenvallen naar ondermeer neutrino’s, weer andere haast massaloze en elektrisch neutrale elementaire deeltjes met intrigerende eigenschappen.