مصادم الميونات

مصادم الميونات هو منشأة مقترحة لتسريع الجسيمات، لا تزال في مرحلة التصميم المفاهيمي، وتُستخدم لتصادم حزم الميونات لإجراء دراسات دقيقة للنموذج القياسي ، وللبحث المباشر عن فيزياء جديدة. تنتمي الميونات إلى الجيل الثاني من اللبتونات ؛ وتُنتج عادةً في تصادمات عالية الطاقة، إما بشكل طبيعي (على سبيل المثال، من خلال تصادم الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي للأرض ) أو بشكل اصطناعي (في بيئات مُتحكم بها باستخدام مُسرّعات الجسيمات ). يتمثل التحدي الرئيسي لمثل هذا المصادم في قصر عمر الميونات.

استخدمت جميع مصادمات الليبتونات السابقة الإلكترونات و/أو جسيماتها المضادة ، البوزيترونات . وتتميز هذه المصادمات عن مصادمات الهادرونات ، مثل مصادم الهادرونات الكبير في سيرن ، بأن تصادمات الليبتونات "نظيفة" نسبيًا نظرًا لأن الليبتونات جسيمات أولية ، بينما الهادرونات ، مثل البروتونات ، جسيمات مركبة. مع ذلك، لا تستطيع مصادمات الإلكترون-بوزيترون الوصول بكفاءة إلى نفس طاقة مركز الكتلة التي تصل إليها مصادمات الهادرونات في المسرعات الدائرية بسبب فقدان الطاقة الناتج عن إشعاع السنكروترون .

يبلغ حجم الميون حوالي 206 أضعاف حجم الإلكترون ، مما يقلل كمية إشعاع السنكروترون المنبعث منه بمقدار مليار ضعف تقريبًا. يُمكّن هذا الانخفاض في فقدان الإشعاع من بناء مصادمات دائرية ذات طاقات تصميمية أعلى بكثير من تلك التي تتمتع بها مصادمات الإلكترون-بوزيترون المكافئة. يوفر هذا مزيجًا فريدًا من طاقة مركز الكتلة العالية وبيئة تصادم نظيفة لا يمكن تحقيقها في أي نوع آخر من مصادمات الجسيمات. وقد ثبت أن مصادم الميونات قادر على الوصول إلى طاقات تصل إلى عدة تيرا إلكترون فولت (TeV). ^{[ 1 ]} على وجه الخصوص، بدءًا من طاقة مركز الكتلة البالغة 3 تيرا إلكترون فولت، يُعد مصادم الميونات النوع الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة من بين أنواع المصادمات، بينما عند 10 تيرا إلكترون فولت، سيصل مداه الفيزيائي إلى مستوى مماثل لمدى مصادم الهادرونات المقترح عند 100 تيرا إلكترون فولت، FCC-hh ، ^{[ 2 ]} مع إمكانية وضعه في حلقة بحجم حلقة مصادم الهادرونات الكبير ( 27 كيلومترًا (17 ميلًا) )، دون الحاجة إلى نفق مكلف للغاية بطول 100 كيلومتر (62 ميلًا) كما هو متوقع لمصادم المستقبل الدائري . كما يوفر مصادم الميونات طريقة نظيفة وفعالة لإنتاج بوزونات هيغز . ^{[ 3 ]}  

الميونات جسيمات قصيرة العمر، إذ يبلغ عمرها 2.2 ميكروثانية في إطارها المرجعي. يُمثل هذا تحديًا كبيرًا لمجمع المُسرِّعات: يجب تسريع الميونات إلى طاقة عالية قبل أن تتحلل، ويحتاج المُسرِّع إلى مصدر مستمر للميونات الجديدة. كما يؤثر ذلك على تصميم التجربة: إذ يصل تدفق كبير من الجسيمات الناتجة عن نواتج تحلل الميونات في النهاية إلى الكاشف، مما يتطلب تقنيات كاشف متطورة وخوارزميات لإعادة بناء الأحداث لتمييز هذه الجسيمات عن نواتج التصادم. تعتمد الطريقة الأساسية لإنتاج الميونات المُعتمدة حاليًا على شعاع بروتونات عالي الطاقة يصطدم بهدف لإنتاج بيونات ، والتي تتحلل بدورها إلى ميونات ذات انتشار كبير في الاتجاه والطاقة، وهو ما يجب تقليله لمزيد من التسريع في الحلقة. وقد أثبتت تجربة تبريد تأين الميونات (MICE) إمكانية إجراء ما يُسمى بتبريد الميونات سداسي الأبعاد. ^{[ 4 ]} تستخدم طريقة إنتاج بديلة، وهي مُسرِّع الميونات منخفض الانبعاثية (LEMMA)، ^{[ 5 ]} حزمة بوزيترونات تصطدم بهدف ثابت لإنتاج أزواج من الميونات من عملية إفناء الإلكترون-بوزيترون عند طاقة مركز الكتلة الحدية. لا تحتاج الحزمة الناتجة إلى مرحلة تبريد، ولكنها تعاني من مقطع عرضي منخفض جدًا لإنتاج الميونات، مما يجعل تحقيق إضاءة عالية باستخدام مصادر البوزيترونات الحالية أمرًا صعبًا.

استمرت المحادثات في عام 2009. ^{[ 7 ] [ 8 ]} تم تطوير أول تصميم مخصص لمجمع المسرع وتصميم الكاشف لطاقات مركز الكتلة حتى 3 تيرا إلكترون فولت ضمن برنامج مسرع الميونات الأمريكي (MAP) خلال الفترة 2010-2015، ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} وبعد ذلك تم التخلي عنه. ^{[ 14 ]} ازداد الاهتمام بمشروع مصادم الميونات مرة أخرى في عام 2020 بعد نشر مقارنة النطاق الفيزيائي بين مصادم الميونات 1.5 تيرا إلكترون فولت وتجربة CLIC، ^{[ 15 ]} وتلا ذلك تحديث الاستراتيجية الأوروبية لفيزياء الجسيمات، والتي أوصت ببدء دراسة تصميم دولية لمصادم الميونات تستهدف طاقات مركز الكتلة القريبة من 10 تيرا إلكترون فولت. ^{[ 16 ]}

في عام 2024، نجح باحثون في مجمع أبحاث مسرعات البروتونات الياباني (J-PARC) في تسريع الميونات الموجبة لأول مرة. تضمنت العملية إنتاج ذرات الميونيوم عن طريق إطلاق حزمة مضبوطة من الميونات المضادة على هلام السيليكا . أدى تصادم الميونيوم مع الإلكترونات في الهلام إلى تكوين الميونيوم، الذي جُرِّد من الإلكترونات باستخدام الليزر لتوليد ميونات مضادة ثابتة. ثم جُمِّدت هذه الميونات المضادة للحفاظ على ثباتها. وباستخدام مجال كهربائي، تمكن الباحثون من تسريع الميونات الموجبة الثابتة إلى سرعات بلغت 4% من سرعة الضوء (حوالي 12 مليون متر في الثانية). مثّل هذا الإنجاز علامة فارقة في مسيرة تطوير مصادمات الميونات، بهدف تسريع الميونات إلى 94% من سرعة الضوء بحلول عام 2028. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

• تجربة التبريد الدولية لتأين الميون
• مصنع النيوترينو

• جيبني، إليزابيث (8 أغسطس 2022). "يرغب علماء فيزياء الجسيمات في بناء أول مصادم للميونات في العالم" . مجلة نيتشر . 608 (7924): 660-661 . Bibcode : 2022Natur.608..660G . doi : 10.1038/d41586-022-02122-y . PMID 35941386 .