Research press release

【素粒子物理学】巨大な素粒子衝突型加速器のコスト削減

Nature

Particle physics: Cutting the cost of colossal colliders

大型ハドロン衝突型加速器のような既存の施設よりはるかに高い衝突エネルギーを達成できる素粒子衝突型加速器の実現に一歩近づいたことを報告する論文が、Natureに掲載される。この論文には、ミューオンビームの輸送に改良が加えられたことが報告されている。ミューオンとは、電子のような基本粒子だが、電子よりも質量が大きい。極めて重要な衝突エネルギーの達成可能値は、質量に比例して増大するため、ミューオン衝突型加速器は、現在の衝突型加速器より小型化でき、従ってコスト削減につながる可能性がある。

基本粒子(電子やミューオンなど)は、下部構造を持たないため素粒子衝突実験においてビームの全エネルギーを持つので、物質の構造を調べるために最も適している。ミューオンの質量は、電子の207倍であり、現在の加速器で達成可能なエネルギーよりも大きなエネルギーで衝突する可能性がある。しかし、このような衝突実験を行うために必要な特性を備えたミューオンビームは生成されていない。

今回、Chris Rogersの研究グループは、ミューオンビームのイオン化冷却に成功することで、高エネルギー衝突実験に必要な高輝度ミューオンビームの生成に伴う課題のいくつかを克服した。この研究成果は、誤った方向への過剰な動きを減らすのに役立ち、既存の衝突型加速器にはできない現象の探索を可能にする十分に高品質のミューオンビームを生成する上で役立つ可能性がある。同時掲載されるRobert Ryne のNews & Viewsでは、今回の研究でミューオン衝突型加速器の開発における画期的な成果が得られたという見解が示された一方で、開発の成功には今後かなりの研究を積み重ねる必要のあることが指摘されている。

Particle colliders that could reach collision energies much higher than existing facilities, such as the Large Hadron Collider, could be a step closer to being possible, according to research published in Nature. The study reports improvements to the delivery of a beam of muons — fundamental particles like electrons but with higher masses. The all-important collision energies that can be reached scale with mass, so muon colliders are expected to be smaller — and hence potentially less costly — than current colliders.

Fundamental particles, such as electrons and muons, are ideal for probing the structure of matter because they do not have substructures, which means that they carry the full energy of the beam in particle collision experiments. Muons are 207 times more massive than electrons, which could allow collisions at greater energies than are achievable with current accelerators. However, muon beams cannot yet be prepared with the properties needed to implement such collision experiments.

Chris Rogers and colleagues overcome some of the challenges associated with producing the high-brightness muon beams needed for high-energy collision experiments by realizing ionization cooling of muons. This achievement helps to reduce excess movement in the wrong direction, and could help to produce a muon beam of high enough quality to enable the search for phenomena beyond the reach of existing colliders. In an accompanying News & Views article, Robert Ryne suggests that these results represent a milestone on the road to muon colliders, but notes that much work is still needed before such facilities could be realized.

doi: 10.1038/s41586-020-1958-9

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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