L-aċċeleraturi tal-partiċelli jintużaw bħala għodda ta 'riċerka għall-istudju tal-univers bikri ħafna. Hadron colliders (partikolarment CERN's Large Hadron Collider LHC) u elettron-positron colliders huma minn ta' quddiem fl-esplorazzjoni tal-univers bikri ħafna. L-esperimenti ATLAS u CMS fil-Kbir Hadron Collider (LHC) kellhom suċċess fl-iskoperta tal-boson Higgs fl-2012. Il-kollider tal-muon jista 'jkun ta' użu konsiderevoli fi studji bħal dawn iżda għadu mhux realtà. Ir-riċerkaturi issa rnexxielhom jaċċelleraw muon pożittiv għal madwar 4% tal-veloċità tad-dawl. Dan huwa l-ewwel tkessiħ u aċċelerazzjoni tal-muon fid-dinja. Bħala dimostrazzjoni ta 'prova tal-kunċett, dan iwitti t-triq għar-realizzazzjoni tal-ewwel aċċeleratur tal-muon fil-futur qarib.
L-univers bikri bħalissa qed jiġi studjat mill-James Webb Space Telescope (JWST). Iddedikat esklussivament għall-istudju tal-univers bikri, JWST jagħmel dan billi jiġbor sinjali ottiċi/infra-aħmar mill-istilel u l-galassji bikrija ffurmati fl-Univers wara l-Big Bang. Riċentement, JWST skopra b'suċċess il-galaxie l-aktar imbiegħda JADES-GS-z14-0 iffurmata fl-univers bikri madwar 290 miljun sena wara l-Big Bang.
Hemm tliet fażijiet tal-univers - era tar-radjazzjoni, era tal-materja u l-era attwali tal-enerġija skura. Mill-Big Bang sa madwar 50,000 sena, l-univers kien iddominat mir-radjazzjoni. Dan kien segwit mill-era tal-materja. L-epoka galattika tal-era tal-materja li damet minn madwar 200 miljun sena wara l-Big Bang sa madwar 3 biljun sena wara l-Big Bang kienet ikkaratterizzata minn formazzjoni ta’ strutturi kbar bħal galassji. Din l-epoka normalment tissejjaħ "univers bikri" li jistudja JWST.
"Univers bikri ħafna" jirreferi għall-aktar fażi bikrija tal-univers ftit wara l-Big Bang meta kien estremament sħun u kien iddominat kompletament mir-radjazzjoni. L-epoka tal-Plank hija l-ewwel epoka tal-era tar-radjazzjoni li damet mill-Big Bang sa 10-43 s. B'temperatura ta '1032 K, l-univers kien super-sħan f'din l-epoka. L-epoka Planck kienet segwita mill-epoki Quark, Lepton, u Nukleari; kollha kienu ta' ħajja qasira iżda kkaratterizzati minn temperaturi estremament għoljin li gradwalment naqsu hekk kif l-univers espandiet.
Studju dirett ta 'din l-ewwel fażi ta' l-univers mhuwiex possibbli. Dak li jista 'jsir huwa li jerġgħu jinħolqu l-kundizzjonijiet tal-ewwel tliet minuti tal-univers wara l-Big Bang fl-aċċeleraturi tal-partiċelli. Id-dejta ġġenerata mill-ħabtiet tal-partiċelli f'aċċeleraturi/colliders toffri tieqa indiretta għal univers bikri ħafna.
Il-colliders huma għodod ta' riċerka importanti ħafna fil-fiżika tal-partikuli. Dawn huma magni ċirkolari jew lineari li jaċċelleraw partiċelli għal veloċitajiet għoljin ħafna qrib il-veloċità tad-dawl u jippermettulhom jaħbtu ma 'partiċelli oħra li ġejjin minn direzzjoni opposta jew kontra mira. Il-ħabtiet jiġġeneraw temperaturi estremament għoljin fl-ordni ta' triljuni ta' Kelvin (simili għall-kundizzjonijiet preżenti fl-epoki l-aktar bikrija tal-era tar-radjazzjoni). L-enerġiji tal-partiċelli li jaħbtu huma miżjuda għalhekk l-enerġija tal-ħabta hija ogħla li tiġi trasformata f'materja fil-forma ta 'partiċelli massivi li kienu jeżistu fl-univers bikri ħafna skont is-simetrija tal-massa-enerġija. Interazzjonijiet bħal dawn bejn partiċelli ta 'enerġija għolja fil-kundizzjonijiet li kienu jeżistu fl-univers bikri ħafna jagħtu twieqi lid-dinja inkella inaċċessibbli ta' dak iż-żmien u l-analiżi tal-prodotti sekondarji tal-ħabtiet toffri mod kif wieħed jifhem il-liġijiet li jirregolaw il-fiżika.
Forsi, l-aktar eżempju famuż ta 'colliders huwa CERN's Large Hadron Collider (LHC) jiġifieri, kolliders ta' daqs kbir fejn hadrons (partiċelli komposti magħmula minn quarks biss bħal protoni u newtroni) jaħbtu. Huwa l-akbar u l-aktar collider qawwi fid-dinja li jiġġenera ħabtiet b'enerġija ta '13 TeV (teraelectronvolts) li hija l-ogħla enerġija milħuqa minn aċċeleratur. S'issa l-istudju tal-prodotti sekondarji tal-ħabtiet kien ta' arrikkiment kbir. L-iskoperta tal-boson Higgs fl-2012 mill-esperimenti ATLAS u CMS fil-Grand Hadron Collider (LHC) hija pass importanti fix-xjenza.
L-iskala tal-istudju tal-interazzjoni tal-partiċelli hija determinata mill-enerġija tal-aċċeleratur. Għall-esplorazzjoni fuq skali iżgħar u iżgħar, wieħed jeħtieġ aċċeleraturi ta 'enerġija ogħla u ogħla. Għalhekk, dejjem hemm tfittxija għal aċċeleraturi ta 'enerġija ogħla milli disponibbli bħalissa għall-esplorazzjoni sħiħa tal-mudell standard tal-fiżika tal-partikuli u l-investigazzjoni fuq skali iżgħar. Għalhekk, bosta aċċeleraturi ġodda ta 'enerġija ogħla bħalissa huma fil-pipeline.
Il-High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) tas-CERN, li x'aktarx ikun operattiv sal-2029, huwa ddisinjat biex iżid il-prestazzjoni tal-LHC billi jżid in-numru ta' ħabtiet sabiex jippermetti studju ta' mekkaniżmi magħrufa f'aktar dettall. Min-naħa l-oħra, il-Future Circular Collider (FCC) huwa l-proġett ta' colliders ta' partiċelli ta' prestazzjoni ogħla ambizzjuż ħafna tas-CERN li jkun madwar 100 km f'ċirkonferenza 200 metru taħt l-art u se jkompli mill-Large Hadron Collider (LHC). Il-kostruzzjoni tiegħu x'aktarx li tibda fl-2030s u tkun implimentata f'żewġ stadji: FCC-ee (kejl ta 'preċiżjoni) se tkun operattiva sa nofs l-2040s filwaqt li FCC-hh (enerġija għolja) tibda topera fis-snin 2070. L-FCC għandha tesplora l-eżistenza ta' partiċelli ġodda u itqal, lil hinn mill-LHC u l-eżistenza ta' partiċelli eħfef li jinteraġixxu b'mod dgħajjef ħafna mal-partiċelli tal-Mudell Standard.
Għalhekk, grupp wieħed ta 'partiċelli li jaħbtu f'collider huma hadrons bħal protoni u nuklei li huma partiċelli komposti magħmula minn quarks. Dawn huma tqal u jippermettu lir-riċerkaturi jilħqu enerġiji għoljin bħal fil-każ tal-LHC. Grupp ieħor huwa ta 'leptoni bħal elettroni u positrons. Dawn il-partiċelli jistgħu jaħbtu wkoll bħal fil-każ tal-Kbir Electron-Positron Collider (LEPC) u SuperKEKB collider. Kwistjoni waħda ewlenija mal-kollider tal-lepton ibbażat fuq l-elettron-positron hija telf kbir ta 'enerġija minħabba r-radjazzjoni tas-sinkrotron meta l-partiċelli jiġu sfurzati f'orbita ċirkolari li jistgħu jingħelbu bl-użu tal-muoni. Bħall-elettroni, il-muoni huma partiċelli elementari iżda huma 200 darba itqal mill-elettroni u għalhekk ħafna inqas telf ta 'enerġija minħabba r-radjazzjoni sinkrotron.
B'differenza mill-hadron collider, collider tal-muon jista' jaħdem bl-użu ta' inqas enerġija li jagħmel collider tal-muon ta' 10 TeV f'parità ma' kollider tal-hadron ta' 100 TeV. Għalhekk, il-colliders tal-muon jistgħu jsiru aktar rilevanti wara l-High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) għal esperimenti ta’ fiżika ta’ enerġija għolja vis-a-vis FCC-ee, jew KLIKU (Kollider lineari kompatt) jew ILC (International Linear Collider). Minħabba skadenzi fit-tul ta 'colliders futuri ta' enerġija għolja, kolliders tal-muon jistgħu jkunu biss għodda potenzjali ta 'riċerka fil-fiżika tal-partikuli għat-tliet deċennji li ġejjin. Il-muoni jistgħu jkunu utli għal kejl ultra-preċiż tal-mument manjetiku anomalu (g-2) u l-mument tad-dipol elettriku (EDM) lejn esplorazzjoni lil hinn mill-mudell standard. It-teknoloġija muon għandha applikazzjonijiet ukoll f'diversi oqsma ta 'riċerka interdixxiplinari.
Madankollu, hemm sfidi tekniċi fir-realizzazzjoni ta 'colliders tal-muon. B'differenza mill-hadrons u l-elettroni li ma jitħassrux, il-muoni għandhom ħajja qasira ta '2.2 mikrosekondi biss qabel ma jitmermer f'elettron u newtrinos. Iżda l-ħajja tal-muon tiżdied bl-enerġija li timplika t-tħassir tiegħu jista 'jiġi pospost jekk jiġi aċċellerat malajr. Iżda l-aċċellerazzjoni tal-muons hija teknikament diffiċli minħabba li m'għandhomx l-istess direzzjoni jew veloċità.
Riċentement, ir-riċerkaturi fil-Ġappun Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) irnexxielhom jegħlbu l-isfidi tat-teknoloġija tal-muon. Irnexxielhom jaċċelleraw muon pożittiv għal madwar 4% tal-veloċità tad-dawl għall-ewwel darba fid-dinja. Din kienet l-ewwel dimostrazzjoni ta 'tkessiħ u aċċelerazzjoni ta' muon pożittiv wara snin ta 'żvilupp kontinwu ta' teknoloġiji ta 'tkessiħ u aċċelerazzjoni.
L-aċċeleratur tal-protoni f'J-PARC jipproduċi madwar 100 miljun muon kull sekonda. Dan isir billi taċċellera l-protoni għal qrib il-veloċità tad-dawl u tħalliha tolqot il-grafita biex tifforma pijuni. Muons huma ffurmati bħala prodott ta 'tħassir ta' pijuni.
It-tim ta 'riċerka pproduċa muons pożittivi li għandhom veloċità ta' madwar 30% tal-veloċità tad-dawl u sparawhom f'aeroġel tas-silika. Il-muoni permessi jingħaqdu ma 'elettroni fl-airgel tas-silika li jirriżultaw fil-formazzjoni ta' muonju (partiċelli newtrali, simili għal atomu jew psewdo atomu li jikkonsisti f'muon pożittiv fiċ-ċentru u elettron madwar il-muon pożittiv). Sussegwentement, l-elettroni tneħħew mill-muonju permezz ta 'irradjazzjoni bil-laser li tat muons pożittivi mkessħa għal madwar 0.002% tal-veloċità tad-dawl. Wara dan, il-muoni pożittivi mkessħa ġew aċċellerati bl-użu ta 'kamp elettriku ta' frekwenza tar-radju. Il-muoni pożittivi aċċellerati hekk maħluqa kienu direzzjonali minħabba li bdew minn qrib iż-żero jsiru raġġ ta 'muon direzzjonali ħafna hekk kif ġew aċċellerati gradwalment laħqu madwar 4% tal-veloċità tad-dawl. Dan huwa pass importanti fit-teknoloġija tal-aċċelerazzjoni tal-muon.
It-tim tar-riċerka jippjana li eventwalment jaċċellera muons pożittivi għal 94% tal-veloċità tad-dawl.
***
Referenzi:
- Università ta’ Oregon. L-Univers Bikri - Lejn il-Bidu ta' Tim. Disponibbli fuq https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Aċċelerazzjoni tax-xjenza - Muon collider. Disponibbli fuq https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Stqarrija għall-istampa – L-ewwel tkessiħ u aċċelerazzjoni tal-muon fid-dinja. Posted fit-23 ta’ Mejju 2024. Disponibbli fuq https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Aċċelerazzjoni ta 'muoni pożittivi minn kavità ta' frekwenza tar-radju. Stampa minn qabel f'arXiv. Mibgħuta fil-15 ta' Ottubru 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Artikli relatati
Partiċelli fundamentali Ħarsa ta' malajr. Tħabbil Quantum bejn "Quarks Top" fl-Ogħla Enerġiji Osservati (22 Settembru 2024).
***
