Ο επιταχυντής μιονίων θεωρούνταν για δεκαετίες επιστημονική φαντασία. Τώρα, μετά από μια σειρά τεχνολογικών돌ρήξεων, έχει γίνει ο πιο συναρπαστικός διεκδικητής για τον διάδοχο του Large Hadron Collider. Αν κατασκευαστεί, θα μπορούσε να απαντήσει σε ερωτήματα που στοιχειώνουν τη φυσική εδώ και γενιές.
Το 2012, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN επιβεβαίωσε την ύπαρξη του μποζονίου Higgs — ένα από τα μεγαλύτερα επιστημονικά επιτεύγματα του αιώνα. Αλλά αντί να κλείσει κεφάλαια, η ανακάλυψη άνοιξε νέα ερωτήματα που δεν έχουν απαντηθεί ακόμα. Η μάζα του μποζονίου Higgs είναι παράξενα μικρή — η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι θα έπρεπε να είναι πολύ μεγαλύτερη, κι όμως κάθεται ισορροπημένη σε μια τιμή που φαίνεται σχεδόν σκόπιμη. Γιατί; Κανείς δεν ξέρει. Και ο LHC, παρά τη δεκαετή λειτουργία του, δεν έχει δώσει νέες ανακαλύψεις που να απαντούν σε αυτό.
Η συνηθισμένη λύση θα ήταν να χτιστεί κάτι μεγαλύτερο. Το CERN έχει ήδη στο τραπέζι την πρόταση για έναν Future Circular Collider — έναν επιταχυντή πρωτονίων με περίμετρο τριπλάσια του LHC, ικανό να παράγει συγκρούσεις επτά φορές πιο ενεργητικές. Υπάρχουν επίσης προτάσεις για γραμμικούς επιταχυντές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, που παράγουν πιο καθαρά αποτελέσματα αλλά με σοβαρούς τεχνικούς περιορισμούς. Και μετά υπάρχει το άλογο που δεν το περίμενε κανείς: ο επιταχυντής μιονίων.
Τα μιόνια είναι σαν τα ηλεκτρόνια, αλλά 200 φορές βαρύτερα. Αυτό σημαίνει ότι χάνουν πολύ λιγότερη ενέργεια όταν κινούνται σε κυκλική τροχιά, επιτρέποντας σε έναν σχετικά μικρό δακτύλιο να φτάσει ενέργειες που θα απαιτούσαν τεράστιες υποδομές με πρωτόνια. Επιπλέον, είναι θεμελιώδη σωματίδια — οι συγκρούσεις τους είναι καθαρές και ευανάγνωστες, σε αντίθεση με τις «βρώμικες» συγκρούσεις πρωτονίων. Στη θεωρία, ένας επιταχυντής μιονίων 10 TeV θα χωρούσε σε δακτύλιο παρόμοιου μεγέθους με τον LHC, αλλά θα έφτανε ενέργειες πολλαπλάσιες.
Το πρόβλημα είναι ότι τα μιόνια ζουν μόλις 2,2 μικροδευτερόλεπτα πριν διασπαστούν. Δεν υπάρχουν έτοιμα σε άτομα — πρέπει να παραχθούν, να συγκεντρωθούν και να επιταχυνθούν σε κλάσματα δευτερολέπτου. «Ξεκινάς με μια δέσμη μιονίων σαν μπάλα παραλίας και πρέπει να την κάνεις λεπτή σαν ανθρώπινη τρίχα — και να το κάνεις εξαιρετικά γρήγορα», λέει ο Patrick Meade του Stony Brook University. Για δεκαετίες, αυτή η απαίτηση ταχύτητας και ακρίβειας έκανε την ιδέα να φαίνεται εξωπραγματική.
Αλλά τα τελευταία χρόνια, κάτι άλλαξε. Το 2020, το πείραμα Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) στο Imperial College London απέδειξε πειραματικά μια τεχνική που επιτρέπει τη συμπίεση της χαοτικής δέσμης μιονίων σε κάτι χρήσιμο. Παράλληλα, η ειδική θεωρία της σχετικότητας γίνεται σύμμαχος: όσο πιο γρήγορα κινούνται τα μιόνια, τόσο πιο αργά περνά ο χρόνος για αυτά. Σε ενέργειες 10 TeV, ένα μιόνιο «ζει» χιλιάδες φορές περισσότερο από ό,τι σε ηρεμία — αρκετά για να ολοκληρωθεί η επιτάχυνση.
Αν τελικά κατασκευαστεί, ο επιταχυντής μιονίων θα έχει ως κεντρικό στόχο τη μελέτη του μποζονίου Higgs σε βάθος που κανένα άλλο μηχάνημα δεν μπορεί να φτάσει. Το πεδίο Higgs ενδέχεται να μην βρίσκεται στη σταθερότερη δυνατή κατάστασή του — κάποιοι υπολογισμοί υποδηλώνουν ότι μια κβαντική διακύμανση θα μπορούσε θεωρητικά να το «αναποδογυρίσει», αλλάζοντας άμεσα τους νόμους της φυσικής σε ολόκληρο το σύμπαν. Επίσης, ο επιταχυντής θα μπορούσε να αναζητήσει πρόσθετα μποζόνια Higgs ή να ελέγξει αν το Higgs είναι πραγματικά θεμελιώδες σωματίδιο ή σύνθετο.
Ο δρόμος είναι ακόμα μακρύς. Το επόμενο βήμα είναι η κατασκευή ενός μικρότερου demonstrator — ένα πιλοτικό μηχάνημα που θα αποδείξει ότι οι τεχνολογίες λειτουργούν στην πράξη. Τόσο το CERN όσο και το Fermilab στις ΗΠΑ εξετάζουν τέτοιες εγκαταστάσεις, με στόχο τεχνικές μελέτες έτοιμες γύρω στο 2030. Ένας πλήρης επιταχυντής μιονίων, αν εγκριθεί και χρηματοδοτηθεί, δεν θα λειτουργήσει πριν από τα μέσα του αιώνα. Αλλά για τους φυσικούς που έχουν αφιερώσει την καριέρα τους σε αυτό, η αναμονή αξίζει — αρκεί να υπάρχει η βούληση να χτιστεί.
