Een nieuwe koeltechiek brengt deeltjesversnellers met muonen een stap dichterbij. Botsingen tussen muonen, de zwaardere neefjes van elektronen, kunnen fysici de kans geven naar nieuwe deeltjes en andere spannende fysica te speuren. Hierbij kan namelijk meer energie vrijkomen dan bij botsingen in de huidige LHC-versneller van CERN.
De huidige deeltjesversneller LHC zal binnenkort haar fysisch haalbare grenzen bereiken. Maar er zijn nog genoeg onbeantwoorde vragen in de deeltjesfysica. Wat is bijvoorbeeld donkere materie? En waarom is het universum gevuld met materie en zien we nauwelijks antimaterie?
Om die vragen te beantwoorden, zijn er nieuwe, krachtigere deeltjesversnellers nodig. Zo wordt er gesproken over de Future Circular Collider (FCC), die een omtrek van 100 kilometer moet krijgen. Flink groter dan de 27 kilometer van de LHC. Maar dergelijke gigantische projecten krijgen kritiek, onder andere omdat ze erg duur zijn. Muonen kunnen een fantastische, compactere oplossing zijn.
Puntdeeltjes of protonen
In de LHC worden protonen versneld. Dit zijn relatief zware deeltjes, waardoor bij de botsingen veel energie vrijkomt. Het nadeel is dat ze ‘rommelige’ botsingen opleveren. Ze zijn namelijk opgebouwd uit kleinere deeltjes: quarks en gluonen. Daardoor zijn protonbotsingen een complexe bedoening van allemaal verschillende deeltjes die wel of niet op elkaar knallen. Het is lastig om achteraf te achterhalen wat er precies gebeurd is. ‘Bovendien is de energie minder geconcentreerd’, vertelt natuurkundige Frank Filthaut van de Radboud Universiteit, die betrokken was bij het onderzoek.
In dat opzicht kun je beter elektronen en hun antideeltjes genaamd positronen op elkaar schieten. Dit zijn namelijk puntdeeltjes, die niet uit kleinere deeltjes bestaan. De botsingen zijn daardoor ‘schoner’ en alle energie van de versnelde elektronen en positronen gaat in de botsing zitten. Dit gebeurde tot het jaar 2000 in de voorganger van de LHC, de LEP-versneller.
Maar elektronen en positronen zijn bijna tweeduizend keer lichter dan protonen. Bovendien verliezen deze deeltjes, met name in cirkelvormige versnellers, energie in de vorm van synchrotronstraling. Dit is straling die elektrisch geladen deeltjes uitzenden als ze worden versneld en hun pad wordt afgebogen. Bij dezelfde energie verliezen zwaardere deeltjes minder energie dan lichte deeltjes. Hierdoor leveren elektronen minder hoge botsingsenergieën op dan protonen.
‘Muonen verenigen in zekere zin de voordelen van elektron-positronversnellers met de voordelen van protonenversnellers’, zegt Filthaut. ‘Het zijn puntdeeltjes die voor schone botsingen zorgen en ze zijn tweehonderd keer zwaarder dan elektronen en positronen, zodat ze flinke botsingsenergieën opleveren.’
Muonen versnellen
Het nadeel van muonen is dat ze binnen 2,2 microseconden vervallen tot andere deeltjes. ‘Maar zodra ze versneld zijn tot bijna de lichtsnelheid, heb je meer tijd’, vertelt Filthaut. Dat komt doordat de tijd langzamer verstrijkt voor objecten die zich met zeer hoge snelheid voortbewegen. Dit bijzondere verschijnsel wordt beschreven in Einsteins speciale relativiteitstheorie.
De uitdaging zit hem dus vooral in wat er voorafgaand aan de versnelling moet gebeuren. Er is maar kort de tijd om een bundel muonen te maken en netjes te focussen zodat die de versneller in kan.
Muonen worden gemaakt door protonen op een trefplaatje te schieten. Bij die botsingen ontstaan zogeheten pionen die uit elkaar vallen in muonen. ‘Je hebt dan muonen die allerlei kanten op bewegen’, zegt Filthaut. ‘Die moet je snel focussen tot een bundel.’
Het is de onderzoekers van het Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) in het Verenigd Koninkrijk nu voor het eerst gelukt om zo’n nette muonenbundel te maken. Hiervoor worden de muonen op een slimme manier afwisselend versneld door magneten en afgeremd door filters van lithiumhydride of vloeibaar waterstof.
‘In de filters remmen vooral de muonen af die afwijken van de bewegingsrichting van de bundel’, vertelt Filthaut. Zo blijft uiteindelijk een gefocuste, homogene muonenbundel over. Dit proces heet ‘koelen’, omdat de filters de energieverschillen tussen de muonen verkleinen. De MICE-onderzoekers demonstreerden deze techniek succesvol.
Haalbaarheid
‘Wel was de hoeveelheid koeling klein’, schrijft Robert Ryne van het Lawrence Berkeley National Laboratory in de VS in een News and Views–artikel in Nature. ‘Het vaststellen van de levensvatbaarheid van een realistisch muonkoelsysteem zal veel meer werk vereisen.’ Het is volgens Ryne te vroeg om te zeggen of deze versnellertechniek technisch en financieel haalbaar zal zijn.
Zelfs als de muonenversneller haalbaar is, zal die nog even op zich laten wachten. ‘Het zal nog zeker tot 2045 duren voordat er een muonenversneller gebouwd wordt’, schat Filthaut. ‘Voor mijn pensioen verwacht ik hem niet.’
