Un colisionador de muones es una instalación de aceleración de partículas propuesta en su etapa de diseño conceptual que hace colisionar haces de muones para estudios de precisión del Modelo Estándar y para búsquedas directas de nueva física. Los muones pertenecen a la segunda generación de leptones , generalmente se producen en colisiones de alta energía ya sea de forma natural (por ejemplo, mediante colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera de la Tierra ) o artificialmente (en entornos controlados utilizando aceleradores de partículas ). El principal desafío de un colisionador de este tipo es la corta vida útil de los muones.
Los colisionadores de leptones anteriores han utilizado electrones y/o sus antipartículas , los positrones . Ofrecen una ventaja sobre los colisionadores de hadrones , como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN , en el sentido de que las colisiones de leptones son relativamente "limpias" gracias a que son partículas elementales , mientras que los hadrones , como los protones , son partículas compuestas. Sin embargo, los colisionadores electrón-positrón no pueden alcanzar de manera eficiente la misma energía del centro de masas que los colisionadores de hadrones en aceleradores circulares debido a la pérdida de energía a través de la radiación de sincrotrón .
Un muón tiene una masa aproximadamente 206 veces mayor que la del electrón , lo que reduce la cantidad de radiación de sincrotrón que emite en un factor de aproximadamente mil millones. La pérdida de radiación reducida permite la construcción de colisionadores circulares con energías de diseño mucho más altas que los colisionadores de electrones y positrones equivalentes. Esto proporciona la combinación única de una energía alta en el centro de masas y un entorno de colisión limpio que no se puede lograr en ningún otro tipo de colisionador de partículas. Se ha demostrado que un colisionador de muones podría alcanzar energías de varios teraelectronvoltios (TeV). [1] En particular, partiendo de una energía de 3 TeV en el centro de masas, un colisionador de muones es el tipo de colisionador más eficiente energéticamente, mientras que a 10 TeV tendría un alcance físico comparable al del colisionador de hadrones de 100 TeV propuesto, FCC-hh , [2] a la vez que encajaría en un anillo del tamaño del LHC (27 km ), sin la necesidad de un túnel de 100 km de longitud mucho más costoso previsto para el Future Circular Collider . Un colisionador de muones también proporciona una forma limpia y eficaz de producir bosones de Higgs . [3]
Los muones son partículas de vida corta, con una vida útil de 2,2 μs en su marco de reposo. Este hecho plantea un serio desafío para el complejo acelerador: los muones deben acelerarse a una alta energía antes de que se desintegran y el acelerador necesita una fuente continua de nuevos muones. También afecta al diseño del experimento: un alto flujo de partículas inducido por los productos de la desintegración de los muones finalmente llega al detector, lo que requiere tecnologías de detección avanzadas y algoritmos de reconstrucción de eventos para distinguir estas partículas de los productos de la colisión. El método de producción de muones de referencia considerado hoy se basa en un haz de protones de alta energía que incide sobre un objetivo para producir piones , que luego se desintegran en muones que tienen una dispersión considerable de dirección y energía, que debe reducirse para una mayor aceleración en el anillo. La posibilidad de realizar este llamado enfriamiento 6D de muones ha sido demostrada por el Experimento de Enfriamiento por Ionización de Muones (MICE). [4] Un método de producción alternativo, el acelerador de muones de baja emisión (LEMMA) [5] utiliza un haz de positrones que incide sobre un objetivo fijo para producir pares de muones a partir del proceso de aniquilación electrón-positrón en la energía umbral del centro de masas. El haz resultante no necesita la etapa de enfriamiento, pero sufre de una sección transversal de producción de muones muy baja, lo que dificulta lograr una alta luminosidad con las fuentes de positrones existentes.
Las conversaciones se llevaron a cabo en 2009. [6] [7] El primer diseño dedicado del complejo acelerador y el diseño del detector para las energías del centro de masa de hasta 3 TeV se desarrolló dentro del Programa de Aceleradores de Muones (MAP) estadounidense durante 2010-2015, [8] [9] [10] [11] [12] después de lo cual fue abandonado. [13] El interés en el proyecto Muon Collider ha aumentado nuevamente en 2020 después de la publicación de la comparación del alcance físico entre el Colisionador de Muones de 1,5 TeV y el experimento CLIC, [14] seguida de la actualización de la estrategia europea para la física de partículas, en la que se recomendó iniciar un estudio de diseño internacional de un Colisionador de Muones que apunte a energías del centro de masa cercanas a 10 TeV. [15]
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