Akceleratory cząstek są używane jako narzędzia badawcze do badania bardzo wczesnego wszechświata. Zderzacze hadronów (szczególnie Wielki Zderzacz Hadronów LHC w CERN) i zderzacze elektronowo-pozytonowe są na czele eksploracji bardzo wczesnego wszechświata. Eksperymenty ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) zakończyły się sukcesem w odkryciu bozonu Higgsa w 2012 r. Zderzacz mionów mógłby być bardzo przydatny w takich badaniach, jednak nie jest jeszcze rzeczywistością. Naukowcy odnieśli sukces w przyspieszeniu dodatniego mionu do około 4% prędkości światła. Jest to pierwsze na świecie chłodzenie i przyspieszanie mionu. Jako demonstracja dowodu koncepcji, otwiera to drogę do realizacji pierwszego akceleratora mionów w niedalekiej przyszłości.
Wczesny wszechświat jest obecnie badany przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Poświęcony wyłącznie badaniu wczesnego wszechświata, JWST robi to poprzez odbieranie sygnałów optycznych/podczerwonych z wczesnych gwiazd i galaktyk uformowanych we Wszechświecie po Wielkim Wybuchu. Niedawno JWST pomyślnie odkrył najodleglejszą galaktykę JADES-GS-z14-0 uformowaną we wczesnym wszechświecie około 290 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Istnieją trzy fazy wszechświata – era promieniowania, era materii i obecna era ciemnej energii. Od Wielkiego Wybuchu do około 50,000 200 lat wszechświat był zdominowany przez promieniowanie. Po tym nastąpiła era materii. Galaktyczna epoka ery materii, która trwała od około 3 milionów lat po Wielkim Wybuchu do około XNUMX miliardów lat po Wielkim Wybuchu, charakteryzowała się powstawaniem dużych struktur, takich jak galaktyki. Epoka ta jest zwykle określana jako „wczesny wszechświat”, który bada JWST.
„Bardzo wczesny wszechświat” odnosi się do najwcześniejszej fazy wszechświata, która nastąpiła wkrótce po Wielkim Wybuchu, kiedy był on niezwykle gorący i całkowicie zdominowany przez promieniowanie. Epoka Plancka jest pierwszą epoką ery radiacyjnej, która trwała od Wielkiego Wybuchu do 10-43 s. Przy temperaturze 1032 K, wszechświat był supergorący w tej epoce. Po epoce Plancka nastąpiły epoki kwarków, leptonów i jąder; wszystkie trwały krótko, ale charakteryzowały się ekstremalnie wysokimi temperaturami, które stopniowo spadały w miarę rozszerzania się wszechświata.
Bezpośrednie badanie tej najwcześniejszej fazy wszechświata nie jest możliwe. Można odtworzyć warunki pierwszych trzech minut wszechświata po Wielkim Wybuchu w akceleratorach cząstek. Dane generowane przez zderzenia cząstek w akceleratorach/zderzaczach oferują pośrednie okno do bardzo wczesnego wszechświata.
Zderzacze są bardzo ważnymi narzędziami badawczymi w fizyce cząstek elementarnych. Są to maszyny kołowe lub liniowe, które przyspieszają cząstki do bardzo dużych prędkości zbliżonych do prędkości światła i pozwalają im zderzać się z inną cząstką nadchodzącą z przeciwnego kierunku lub z celem. Zderzenia generują ekstremalnie wysokie temperatury rzędu bilionów kelwinów (podobne do warunków występujących w najwcześniejszych epokach ery radiacji). Energie zderzających się cząstek są dodawane, stąd energia zderzenia jest wyższa, która jest przekształcana w materię w postaci masywnych cząstek, które istniały we wczesnym wszechświecie zgodnie z symetrią masa-energia. Takie oddziaływania między cząstkami o wysokiej energii w warunkach, które istniały we wczesnym wszechświecie, otwierają okna na niedostępny w inny sposób świat tamtych czasów, a analiza produktów ubocznych zderzeń oferuje sposób na zrozumienie rządzących praw fizyki.
Być może najbardziej znanym przykładem zderzaczy jest Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN, czyli zderzacze o dużych rozmiarach, w których zderzają się hadrony (cząstki złożone z samych kwarków, takie jak protony i neutrony). Jest to największy i najpotężniejszy zderzacz na świecie, który generuje zderzenia przy energii 13 TeV (teraelektronowoltów), co jest najwyższą energią osiąganą przez akcelerator. Badanie produktów ubocznych zderzeń było jak dotąd bardzo wzbogacające. Odkrycie bozonu Higgsa w 2012 r. przez eksperymenty ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) jest kamieniem milowym w nauce.
Skala badania interakcji cząstek jest determinowana przez energię akceleratora. Do eksploracji w coraz mniejszej skali potrzebne są akceleratory o coraz wyższej energii. Dlatego też zawsze istnieje potrzeba akceleratorów o wyższej energii niż obecnie dostępne do pełnej eksploracji standardowego modelu fizyki cząstek i badań w mniejszej skali. Dlatego też obecnie w przygotowaniu jest kilka nowych akceleratorów o wyższej energii.
CERN High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC), który prawdopodobnie będzie gotowy do działania do 2029 r., ma na celu zwiększenie wydajności LHC poprzez zwiększenie liczby zderzeń, aby umożliwić dokładniejsze badanie znanych mechanizmów. Z drugiej strony Future Circular Collider (FCC) to bardzo ambitny projekt CERN dotyczący zderzaczy cząstek o wyższej wydajności, który miałby obwód około 100 km i znajdowałby się 200 metrów pod ziemią i byłby kontynuacją Large Hadron Collider (LHC). Jego budowa prawdopodobnie rozpocznie się w latach 2030. XXI wieku i będzie realizowana w dwóch etapach: FCC-ee (precyzyjne pomiary) będzie gotowy do działania w połowie lat 2040. XXI wieku, a FCC-hh (wysoka energia) rozpocznie działanie w latach 2070. XXI wieku. FCC powinien zbadać istnienie nowych, cięższych cząstek, poza zasięgiem LHC, oraz istnienie lżejszych cząstek, które bardzo słabo oddziałują z cząstkami Modelu Standardowego.
Tak więc jedną z grup cząstek, które zderzają się w zderzaczu, są hadrony, takie jak protony i jądra atomowe, które są cząstkami złożonymi z kwarków. Są one ciężkie i pozwalają badaczom osiągać wysokie energie, jak w przypadku LHC. Inną grupą są leptony, takie jak elektrony i pozytony. Cząstki te mogą również zderzać się, jak w przypadku dużego zderzacza elektronowo-pozytonowego (LEPC) i zderzacza SuperKEKB. Jednym z głównych problemów zderzacza leptonowego opartego na elektronach i pozytonach jest duża strata energii spowodowana promieniowaniem synchrotronowym, gdy cząstki są zmuszane do poruszania się po orbicie kołowej, co można przezwyciężyć, stosując miony. Podobnie jak elektrony, miony są cząstkami elementarnymi, ale są 200 razy cięższe od elektronów, stąd znacznie mniejsza strata energii spowodowana promieniowaniem synchrotronowym.
W przeciwieństwie do zderzaczy hadronów, zderzacz mionów może działać przy użyciu mniejszej energii, co sprawia, że zderzacz mionów o energii 10 TeV jest porównywalny z zderzaczem hadronów o energii 100 TeV. Dlatego zderzacze mionów mogą stać się bardziej istotne po High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) dla eksperymentów fizyki wysokich energii w porównaniu z FCC-ee, lub KLIKNIJ (Kompaktowy Zderzacz Liniowy) lub ILC (International Linear Collider). Biorąc pod uwagę rozciągnięte ramy czasowe przyszłych zderzaczy o wysokiej energii, zderzacze mionowe mogą być jedynym potencjalnym narzędziem badawczym w fizyce cząstek przez następne trzy dekady. Miony mogą być przydatne do ultraprecyzyjnego pomiaru anomalnego momentu magnetycznego (g-2) i elektrycznego momentu dipolowego (EDM) w kierunku eksploracji poza modelem standardowym. Technologia mionowa ma również zastosowania w kilku interdyscyplinarnych obszarach badawczych.
Istnieją jednak techniczne wyzwania w realizacji zderzaczy mionowych. W przeciwieństwie do hadronów i elektronów, które nie rozpadają się, miony mają krótki czas życia, wynoszący zaledwie 2.2 mikrosekundy, zanim rozpadną się na elektron i neutrina. Jednak czas życia mionu wzrasta wraz z energią, co oznacza, że jego rozpad może zostać opóźniony, jeśli zostanie szybko przyspieszony. Jednak przyspieszanie mionów jest technicznie trudne, ponieważ nie mają one tego samego kierunku ani prędkości.
Ostatnio badacze z Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) odnieśli sukces w przezwyciężeniu wyzwań technologii mionowej. Po raz pierwszy na świecie udało im się przyspieszyć dodatni mion do około 4% prędkości światła. Była to pierwsza demonstracja chłodzenia i przyspieszania dodatniego mionu po latach ciągłego rozwoju technologii chłodzenia i przyspieszania.
Akcelerator protonów w J-PARC produkuje około 100 milionów mionów na sekundę. Odbywa się to poprzez przyspieszenie protonów do prędkości bliskiej prędkości światła i umożliwienie im uderzenia w grafit, aby utworzyć piony. Miony powstają jako produkt rozpadu pionów.
Zespół badawczy wyprodukował dodatnie miony o prędkości około 30% prędkości światła i wstrzelił je do aerożelu krzemionkowego. Pozwoliło to mionom połączyć się z elektronami w aerożelu krzemionkowym, co spowodowało powstanie mionu (neutralnej, atomopodobnej cząstki lub pseudoatomu składającego się z dodatniego mionu w centrum i elektronu wokół dodatniego mionu). Następnie elektrony zostały oderwane od mionu poprzez napromieniowanie laserem, co dało dodatnie miony schłodzone do około 0.002% prędkości światła. Następnie schłodzone dodatnie miony zostały przyspieszone za pomocą pola elektrycznego o częstotliwości radiowej. Przyspieszone dodatnie miony utworzone w ten sposób były kierunkowe, ponieważ zaczynały od wartości bliskiej zera, stając się wysoce kierunkową wiązką mionów, ponieważ były stopniowo przyspieszane, osiągając około 4% prędkości światła. Jest to kamień milowy w technologii przyspieszania mionów.
Zespół badawczy planuje ostatecznie przyspieszyć dodatnie miony do 94% prędkości światła.
***
Referencje:
- University of Oregon. Wczesny wszechświat – ku początkom Tima. Dostępne na https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Przyspieszenie nauki – zderzacz mionów. Dostępne na stronie https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Informacja prasowa – Pierwsze na świecie chłodzenie i przyspieszanie mionu. Opublikowano 23 maja 2024 r. Dostępne na https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S. i in., 2024. Acceleration of positive mions by a radio-frequency cavity. Preprint at arXiv. Submited on 15 October 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Powiązane artykuły
Cząstki elementarne. Krótki przegląd. Splątanie kwantowe pomiędzy „kwarkami szczytowymi” przy najwyższych zaobserwowanych energiach (22 wrzesień 2024).
***
