Forskare har visat en nyckelteknologi för att göra nästa generations högenergipartikelacceleratorer möjliga.

Partikelacceleratorer används för att undersöka sammansättningen av materia i kolliderare som Large Hadron Collider, och för att mäta läkemedels kemiska struktur, behandling av cancer och tillverkning av kiselmikrochips.

Än så länge, de accelererade partiklarna har varit protoner, elektroner och joner, i koncentrerade strålar. Dock, ett internationellt team kallat Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) samarbete, som inkluderar Imperial College London-forskare, försöker skapa en myonstråle.

Muoner är partiklar som elektroner, men med mycket större massa. Det betyder att de kan användas för att skapa strålar med tio gånger mer energi än Large Hadron Collider.

Muoner kan också användas för att studera materials atomära struktur, som en katalysator för kärnfusion och för att se igenom riktigt täta material som röntgenstrålar inte kan tränga igenom.

Framgång för ett avgörande steg

MICE har idag tillkännagett framgången med ett avgörande steg i att skapa en myonstråle – att sammandra myonerna till en tillräckligt liten volym för att kollisioner är mer sannolika. Resultaten publiceras idag i Natur .

Experimentet utfördes med hjälp av MICE-myonstrålelinjen vid Science and Technology Facilities Council (STFC) ISIS Neutron and Muon Beam-anläggning på Harwell Campus i Storbritannien.

Professor Ken Long, från Institutionen för fysik vid Imperial, är talesperson för experimentet. Han sa:"Entusiasmen, tillägnande, och hårt arbete av det internationella samarbetet och det enastående stödet från laboratoriepersonal på STFC och från institut över hela världen har gjort detta spelförändrande genombrott möjligt."

Myoner produceras genom att krossa en stråle av protoner i ett mål. Myonerna kan sedan separeras från skräpet som skapas vid målet och riktas genom en serie magnetlinser. De uppsamlade myonerna bildar ett diffust moln, så när det kommer till att kollidera med dem, chansen att de slår varandra och producerar intressanta fysiska fenomen är riktigt låg.

För att göra molnet mindre diffust, en process som kallas strålkylning används. Detta innebär att muonerna kommer närmare varandra och rör sig i samma riktning. Dock, Hittills kunde magnetlinser bara få myonerna närmare varandra, eller få dem att röra sig i samma riktning, men inte båda samtidigt.

Kylande myoner

MICE Collaboration testade en helt ny metod för att tackla denna unika utmaning, kyla myonerna genom att sätta dem genom speciellt designade energiabsorberande material. Detta gjordes medan strålen var mycket hårt fokuserad av kraftfulla supraledande magnetiska linser.

Efter att ha kylt strålen till ett tätare moln, myonerna kan accelereras av en normal partikelaccelerator i en exakt riktning, vilket gör det mycket mer sannolikt att myonerna kolliderar. Alternativt de kalla myonerna kan bromsas så att deras sönderfallsprodukter kan studeras.

Dr Chris Rogers, baserad på STFC:s ISIS-anläggning och samarbetets fysikkoordinator, förklarade:"MICE har visat ett helt nytt sätt att pressa en partikelstråle till en mindre volym. Denna teknik är nödvändig för att göra en framgångsrik muonkolliderare, som skulle kunna överträffa även Large Hadron Collider."

"Demonstration of cooling by the Muon Ionization Cooling Experiment" publiceras i Natur .