Um Colisor de Múons é uma instalação proposta de acelerador de partículas, atualmente em estágio conceitual de projeto, destinada à colisão de feixes de múons para estudos de alta precisão do Modelo Padrão e para buscas diretas por nova física. Os múons pertencem à segunda geração de léptons; são tipicamente produzidos em colisões de alta energia, seja naturalmente (por exemplo, em colisões de raios cósmicos com a atmosfera terrestre) ou artificialmente (em ambientes controlados, por meio de aceleradores de partículas). O principal desafio para a realização de um colisor desse tipo é o curto tempo de vida dos múons.
História Colisores de léptons anteriores utilizaram exclusivamente elétrons e/ou suas antipartículas, os pósitrons. Esses dispositivos apresentam uma vantagem em relação aos colisores de hádrons, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN, na medida em que colisões leptônicas são relativamente “limpas”, devido ao fato de os léptons serem partículas elementares, enquanto hádrons, como prótons, são partículas compostas. Entretanto, colisores elétron-pósitron não conseguem atingir, de forma eficiente, a mesma energia no centro de massa que colisores de hádrons em aceleradores circulares, devido às perdas energéticas associadas à radiação síncrotron.
O múon possui aproximadamente 206 vezes a massa do elétron, o que reduz a emissão de radiação síncrotron por um múon em cerca de um fator de 10⁹. Essa redução nas perdas radiativas possibilita a construção de colisores circulares com energias de projeto significativamente superiores às de colisores elétron-pósitron equivalentes. Isso fornece uma combinação única de alta energia no centro de massa e ambiente de colisão limpo, não alcançável em nenhum outro tipo de colisor de partículas. Demonstrou-se que um colisor de múons poderia atingir energias de vários teraelétron-volts (TeV). Em particular, a partir de uma energia no centro de massa de 3 TeV, um colisor de múons constitui o tipo de colisor mais eficiente energeticamente, enquanto, a 10 TeV, apresentaria alcance em física comparável ao do colisor de hádrons proposto de 100 TeV, o FCC-hh, podendo ser acomodado em um anel de dimensões semelhantes às do LHC (27 quilômetros), sem a necessidade do túnel substancialmente mais caro, com cerca de 100 quilômetros de extensão, previsto para o Future Circular Collider. Um colisor de múons também oferece um método limpo e eficiente para a produção de bósons de Higgs.
Múons são partículas de vida curta, com um tempo de vida de aproximadamente 2,2 μs em seu referencial de repouso. Esse fato impõe um desafio significativo ao complexo acelerador: os múons devem ser acelerados a altas energias antes de decaírem, e o acelerador requer uma fonte contínua de novos múons. Esse aspecto também impacta o projeto experimental: um alto fluxo de partículas provenientes dos produtos de decaimento dos múons eventualmente alcança o detector, exigindo tecnologias avançadas de detecção e algoritmos de reconstrução de eventos capazes de distinguir essas partículas dos produtos de colisão.O método de produção de múons considerado como referência atualmente baseia-se em um feixe de prótons de alta energia incidindo sobre um alvo para produzir píons, os quais então decaem em múons que apresentam uma grande dispersão angular e energética, a qual deve ser reduzida para permitir a aceleração subsequente no anel. A viabilidade de realizar esse chamado resfriamento 6D de múons foi demonstrada pelo experimento Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE). Um método alternativo de produção, denominado Low Emittance Muon Accelerator (LEMMA), utiliza um feixe de pósitrons incidindo sobre um alvo fixo para produzir pares de múons por meio do processo de aniquilação elétron-pósitron na energia limiar do centro de massa. O feixe resultante não requer a etapa de resfriamento, porém apresenta uma seção de choque de produção de múons muito baixa, o que torna desafiador alcançar alta luminosidade com as fontes de pósitrons atualmente disponíveis. centro|miniaturadaimagem|800x800px|Layout conceitual do complexo acelerador de colisor de múons publicado em 2025. Discussões sobre o projeto já estavam em andamento em 2009. O primeiro projeto dedicado do complexo acelerador e do detector, voltado para energias no centro de massa de até 3 TeV, foi desenvolvido no âmbito do American Muon Accelerator Program (MAP) durante o período de 2010 a 2015,MAP [Retrieved 2012-01-08 (site last modified: 22 March 2011)]Eddy, B. Fellenz, P. Prieto, A. Semenov, D.C. Voy, M. Wendt (Fermilab) 17 August 2011 A Wire Position Monitor System for the 1.3 GHz TESLA-style Cryomodule at the Fermilab New-Muon-Lab Accelerator. [Retrieved 2012-01-08]6 March 2008 – The Neutrino Factory and Muon Collider Collaboration (NFMCC) pdf – 17 October 2011 [Retrieved 2012-01-08]ISIS A World centre for Neutrinos and Muons [Retrieved 2012-01-08] após o qual o programa foi descontinuado. O interesse no projeto de um Colisor de Múons voltou a crescer em 2020, após a publicação de comparações do alcance em física entre um Colisor de Múons de 1,5 TeV e o experimento CLIC, seguida pela atualização da estratégia europeia para a física de partículas, na qual foi recomendada a iniciação de um estudo internacional de projeto para um Colisor de Múons visando energias no centro de massa próximas de 10 TeV.
Aceleração de múons Em 2024, pesquisadores do Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) conseguiram acelerar múons positivos pela primeira vez. O processo envolveu a criação de átomos de muônio por meio da incidência de um feixe controlado de antimúons sobre um aerogel de sílica. A interação com elétrons no aerogel levou à formação de muônio, que posteriormente teve seus elétrons removidos por meio de um laser, gerando antimúons estacionários. Esses antimúons foram então mantidos em estado estacionário por meio de técnicas de resfriamento. Utilizando um campo elétrico, os pesquisadores aceleraram os múons positivos estacionários até velocidades correspondentes a aproximadamente 4% da velocidade da luz (~1,2 × 10⁷ m/s). Esse resultado representou um marco significativo no desenvolvimento de colisores de múons, com a meta de acelerar múons até cerca de 94% da velocidade da luz até 2028.
Referências
Categoria:Aceleradores de partículas Categoria:Física de partículas Categoria:Pesquisa Categoria:Experimentos de física Categoria:Física nuclear