입자물리학자들은 뮤온 충돌기를 꿈꾼다

Jul 13, 2023

몇 년 동안 무명 상태에 있던 뮤온 충돌기에 대한 제안이 입자 물리학자들 사이에서 다시 탄력을 받고 있습니다.

입자 물리학자들은 복음 전도자가 아닐 것 같습니다. 그러나 그들 중 다수는 논문, 컨퍼런스, 티셔츠, 스티커, 밈을 통해 뮤온 충돌기, 즉 뮤온의 거대한 사촌인 뮤온을 서로 박살낼 차세대 기계에 대한 좋은 소식을 전파하고 있습니다. 전자. 2021년 선언문인 "뮤온 스매셔 가이드(The Muon Smasher's Guide)"에서 입자 지지자들은 자신들의 입장을 밝혔습니다. “우리는 이미 알고 있는 것을 확인하기 위해 충돌기를 만드는 것이 아니라 우리가 모르는 것을 탐구하기 위해 충돌기를 만듭니다.”라고 그들은 썼습니다. "뮤온이 부르고 있으니 우리는 가야 합니다."

지지자들에게 있어 뮤온 충돌기의 장점은 두 가지 기존 충돌기 유형의 장점을 결합할 수 있다는 점입니다. 이 거대한 기계는 일반적으로 지하 고리에서 양성자나 전자와 충돌합니다. 이러한 충돌의 여파를 기록함으로써 물리학자들은 아원자 지대의 위치에 대한 정보를 수집할 수 있습니다. 각 방법에는 장단점이 있습니다. 무거운 양성자(각각은 실제로 더 작고 더 근본적인 입자로 가득 찬 묶음)는 지저분하고 잔해로 막힌 고에너지 충돌을 일으킵니다. 가벼운 전자는 깔끔하게 충돌하지만 에너지는 더 낮습니다.

오늘날 최고의 시설인 LHC(Large Hadron Collider)는 양성자를 충돌시켜 우주에서 가장 근본적인 영역의 지도 역할을 하는 이론인 표준 모델의 한계를 조사합니다. 지도로서 표준 모델은 성공적이었습니다. 이는 기본 입자의 알려진 지형과 이를 연결하는 힘을 정확하게 묘사하므로 이론에서 벗어나는 부분이 헤드라인을 장식합니다. 그러나 모든 지도와 마찬가지로 표준 모델에는 경계가 있습니다. 즉, 중력을 포함하지 않으며 현재 암흑 물질의 정체와 같은 미스터리에 대한 답변이 부족합니다.

물리학자들은 뮤온과의 충돌에 성공한 적이 없습니다. 그 이유는 입자가 붕괴되기까지 2.2마이크로초 동안만 생존하기 때문입니다. 뮤온이 랭글링될 수 있다면 깨끗하고 고에너지인 충돌이 발생하므로 표준 모델의 경계 너머를 탐험하는 데 이상적입니다. 뮤온에서는 “자연은 우리에게 선물을 제공했습니다. 우리는 그것을 활용해야 합니다.”라고 Stony Brook University의 이론가 Patrick Meade는 주장합니다.

미래의 충돌기의 운명은 두운적으로 명명된 입자 물리학 프로젝트 우선순위 패널(P5)에 달려 있습니다. 이 위원회는 매 10년마다 소집되어 연구 의제를 설정하고 주요 프로젝트에 대한 자금 지원을 권장하는 강력한 위원회입니다. P5 보고서는 올 가을에 나올 예정이며 많은 물리학자들은 여기에 뮤온 충돌기에 대한 강력한 추진력이 포함되기를 희망합니다.

미래의 충돌기가 새로운 입자를 발견할 것이라는 보장은 없지만 옹호자들은 뮤온이 갖고 있는 발견 잠재력에 열광하고 있습니다. 실제 라이브 뮤온 충돌기가 있는 미래는 아직 멀었습니다. 가장 빠르고 가장 낙관적인 시간선에서도 뮤온 충돌기는 적어도 20년 동안 켜지지 않을 것입니다. 그러나 물리학자들은 이미 뮤온을 이용해 어디를 탐험할 수 있는지 꿈꾸고 있습니다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 이론가인 Cari Cesarotti는 “우리는 전례 없는 일을 할 수 있는 기회를 얻었습니다.”라고 말합니다. “10년 전 존재했던 장애물이 사라지고 있습니다. 지금이 절호의 기회 다! 그래서 나에게는 마치 왜 하고 싶지 않은 걸까요?”

뮤온의 문제는 그들이 죽는다는 것이다. 짧은 수명 동안 냉각되고, 집중되고, 거의 빛의 속도로 가속되어야 합니다. 가장 실행 가능한 접근 방식은 뮤온을 액체 수소와 같은 매체에 통과시켜 에너지를 소진시키는 것부터 시작됩니다. 그러면 강력한 자석이 뮤온에 초점을 맞추고 붕괴되기 전에 충돌하는 루프로 가속할 수 있습니다. 이 계획의 변형은 수십 년 동안 존재해 왔습니다. 한 디자인은 박물관의 나선형 중앙홀과 닮았기 때문에 "구겐하임"이라고 불렸습니다.

이것이 얼마나 실현 가능한지 궁금해서 2011년 에너지부는 뮤온 충돌의 타당성을 조사하는 소규모 연구 개발 노력인 뮤온 가속기 프로그램(MAP)을 설립했습니다. 가속기 물리학자 팀은 어떤 디자인이 가장 잘 작동하는지 확인하기 위해 충돌기의 컴퓨터 모델을 만드는 작업에 착수했습니다. 그러나 노력이 시작되자마자 두 가지 발견이 뮤온 충돌기의 종말을 의미하는 것처럼 보였습니다.