La construcción y el funcionamiento de un colisionador de muones (sobre todo como fábrica de Higgs) tienen una fuerte base física.
Actualmente, ¿cuál es el principal obstáculo tecnológico para hacer posible el colisionador de muones?
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El mayor reto técnico que impide un colisionador de muones es cómo generar y transportar con seguridad el haz desde la fuente hasta el anillo de almacenamiento. La generación de muones, a diferencia de otras partículas como los electrones o los protones, produce un haz realmente desordenado con una dispersión de momento transversal muy grande. La "emitancia" de un haz se define aproximadamente como $\varepsilon = \sigma_x^2 \sigma_{x'}^2$ a dentro de algunas convenciones de normalización. Un anillo de almacenamiento tiene una determinada "aceptación", que es el mayor haz de emitancia que puede almacenar sin que las partículas golpeen el tubo del haz o se desprendan del mismo.
El problema es que se genera una lluvia de muones al golpear un blanco fijo con protones de alta energía. Los muones resultantes tienen que ser recogidos y enfriados hasta una emitancia lo suficientemente pequeña como para poder introducirlos en el anillo de almacenamiento sin violar las restricciones de seguridad radiológica sobre la cantidad de haz que se puede perder. Cuando esas partículas chocan con el tubo del haz, generan una lluvia de radiación de neutrones, por lo que hay que mantenerla baja. De hecho, el diseño inicial de un colisionador de muones habría provocado tanta radiación que se utilizó la frase "Anillo de la muerte" para describir el problema. Por ello, hay que enfriar los haces para que su emitancia sea lo suficientemente pequeña como para entrar en un anillo de almacenamiento realista.
Normalmente lo que se hace, como en el caso de los antielectrones que se producen básicamente de la misma manera, es poner las partículas en un anillo de amortiguación de aceptación muy grande en el que te sientas y esperas a que la radiación de sincrotrón enfríe el manojo transversalmente, o utilizar otros métodos como el enfriamiento estocástico o el enfriamiento de electrones. Los muones tienen un segundo problema, y es que tienen una vida media y el propio haz decaerá.
Así que hay que tomar un haz de partículas muy desordenado y enfriarlo antes de que se pierda todo el haz por su desintegración en un electrón y algunos neutrinos. Nadie ha averiguado cómo enfriarlas lo suficientemente rápido y, al mismo tiempo, conservar un número suficiente de partículas para que el experimento merezca la pena.
Eric Grunzke
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Hacer un muón haz de luz es una tecnología bastante consolidada. Actualmente hay haces de muones en el CERN, en Brookhaven, en el Fermilab y probablemente en otros lugares.
También es posible inyectar muones en un anillo de almacenamiento - este es el corazón del muón $g-2$ experimento .
Sin embargo, la cuestión es que el haz en un colisionador está esencialmente vacío. En el LHC, cada grupo de protones contiene alrededor de $10^{11}$ protones . Cuando dos racimos se superponen en un detector, se producen unas pocas docenas de colisiones protón-protón. Pero los protones restantes son libres de dar la vuelta al anillo y colisionar de nuevo. Creo que la mayoría de los colisionadores con anillo de almacenamiento llenan el anillo con protones (o iones pesados) al comienzo de un período de toma de datos y luego reutilizan esos protones durante días o semanas.
No se conseguiría reutilizar los muones de forma muy eficiente. Un muón en reposo vive 2 μs; incluso potenciado a 14 TeV ( $\gamma = E/m \approx 130\,000$ ) la duración es inferior a un segundo. Así que habría que estar produciendo continuamente nuevos muones y acelerándolos continuamente antes de la inyección, algo mucho más parecido a un instalación de isótopos raros que un colisionador de alta energía.
También habría un haz de electrones producido continuamente a partir de los muones que decaen en vuelo. Para las partículas lentas, los imanes de flexión separaría los muones de los electrones. Sin embargo, si se eleva a unos pocos TeV, el muón y su electrón de desintegración tienen esencialmente el mismo momento, y su haz de muones sería sustituido en el anillo de almacenamiento por un haz de electrones con una dispersión de momento ligeramente mayor. Este haz tendría que ser vertido en algún lugar, de nuevo, probablemente una vez por segundo.
Creo que probablemente sea factible, pero sería todo un reto. Demos diez o veinte años.
