Akceleratori čestica koriste se kao istraživački alati za proučavanje vrlo ranog svemira. Hadronski sudarači (osobito CERN-ov Veliki hadronski sudarač LHC) i elektron-pozitronski sudarači prednjače u istraživanju vrlo ranog svemira. Eksperimenti ATLAS i CMS na Velikom hadronskom sudaraču (LHC) bili su uspješni u otkrivanju Higgsovog bozona 2012. godine. Mionski sudarač mogao bi biti od velike koristi u takvim studijama, ali još nije stvarnost. Istraživači su sada uspjeli ubrzati pozitivni mion na približno 4% brzine svjetlosti. Ovo je prvo hlađenje i ubrzanje miona na svijetu. Kao demonstracija dokaza koncepta, ovo otvara put za realizaciju prvog mionskog akceleratora u bliskoj budućnosti.
Rani svemir trenutno proučava svemirski teleskop James Webb (JWST). Posvećen isključivo proučavanju ranog svemira, JWST to čini prikupljanjem optičkih/infracrvenih signala iz ranih zvijezda i galaksija formiranih u svemiru nakon Velikog praska. Nedavno je JWST uspješno otkrio najudaljeniju galaksiju JADES-GS-z14-0 formiranu u ranom svemiru oko 290 milijuna godina nakon Velikog praska.
Postoje tri faze svemira - era zračenja, era materije i trenutna era tamne energije. Od Velikog praska do otprilike 50,000 200 godina, svemirom je dominiralo zračenje. Slijedila je era materije. Galaktičku epohu ere materije koja je trajala od oko 3 milijuna godina nakon Velikog praska do oko XNUMX milijarde godina nakon Velikog praska karakteriziralo je formiranje velikih struktura poput galaksija. Ova se epoha obično naziva "rani svemir" koji JWST proučava.
"Vrlo rani svemir" odnosi se na najraniju fazu svemira ubrzo nakon Velikog praska kada je bilo iznimno vruće i u potpunosti je dominiralo zračenje. Plankova epoha je prva epoha ere zračenja koja je trajala od Velikog praska do 10.-43 s. S temperaturom od 1032 K, svemir je bio super-vruć u ovoj epohi. Planckovu epohu slijedile su kvarkova, leptonska i nuklearna epoha; sve su bile kratkog vijeka, ali karakterizirane ekstremno visokim temperaturama koje su se postupno smanjivale kako se svemir širio.
Izravno proučavanje ove najranije faze svemira nije moguće. Ono što se može učiniti je ponovno stvoriti uvjete prve tri minute svemira nakon Velikog praska u akceleratorima čestica. Podaci generirani sudarima čestica u akceleratorima/sudaračima nude neizravni prozor u vrlo rani svemir.
Sudarači su vrlo važni istraživački alati u fizici čestica. To su kružni ili linearni strojevi koji ubrzavaju čestice do vrlo velikih brzina bliskih brzini svjetlosti i omogućuju im da se sudare s drugom česticom koja dolazi iz suprotnog smjera ili s metom. Sudari stvaraju ekstremno visoke temperature reda trilijuna Kelvina (slično uvjetima prisutnima u najranijim epohama ere radijacije). Energije sudarajućih čestica su dodane stoga je energija sudara veća koja se transformira u materiju u obliku masivnih čestica koje su postojale u vrlo ranom svemiru prema simetriji masa-energija. Takve interakcije između visokoenergetskih čestica u uvjetima koji su postojali u vrlo ranom svemiru daju prozore u inače nedostupan svijet tog vremena, a analiza nusproizvoda sudara nudi način za razumijevanje vladajućih zakona fizike.
Možda je najpoznatiji primjer sudarača CERN-ov Veliki hadronski sudarač (LHC), tj. veliki sudarači u kojima se sudaraju hadroni (kompozitne čestice sastavljene samo od kvarkova kao što su protoni i neutroni). Riječ je o najvećem i najsnažnijem sudaraču na svijetu koji generira sudare pri energiji od 13 TeV (teraelektronvolti) što je najveća energija koju postiže jedan akcelerator. Proučavanje nusproizvoda sudara do sada je bilo vrlo obogaćujuće. Otkriće Higgsovog bozona 2012. pomoću eksperimenata ATLAS i CMS na Velikom hadronskom sudaraču (LHC) prekretnica je u znanosti.
Razmjer proučavanja međudjelovanja čestica određen je energijom akceleratora. Za istraživanja u sve manjim i manjim razmjerima potrebni su akceleratori sve veće i veće energije. Dakle, uvijek postoji potraga za akceleratorima više energije od trenutno dostupnih za potpuno istraživanje standardnog modela fizike čestica i istraživanja na manjim skalama. Stoga je trenutno u pripremi nekoliko novih akceleratora više energije.
CERN-ov High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC), koji će vjerojatno biti operativan do 2029. godine, dizajniran je za povećanje performansi LHC-a povećanjem broja sudara kako bi se omogućilo detaljnije proučavanje poznatih mehanizama. S druge strane, Future Circular Collider (FCC) je CERN-ov vrlo ambiciozan projekt sudarača čestica viših performansi koji bi bio oko 100 km u opsegu 200 metara ispod zemlje i bio bi nastavak Velikog hadronskog sudarača (LHC). Njegova će izgradnja vjerojatno započeti 2030-ih i provodit će se u dvije faze: FCC-ee (precizna mjerenja) bit će operativan do sredine 2040-ih, dok će FCC-hh (visoka energija) početi s radom 2070-ih. FCC bi trebao istražiti postojanje novih, težih čestica, izvan dosega LHC-a i postojanje lakših čestica koje vrlo slabo djeluju na čestice Standardnog modela.
Dakle, jedna skupina čestica koje se sudaraju u sudaraču su hadroni kao što su protoni i jezgre koji su kompozitne čestice sastavljene od kvarkova. Oni su teški i omogućuju istraživačima postizanje visokih energija kao u slučaju LHC-a. Drugu skupinu čine leptoni kao što su elektroni i pozitroni. Te se čestice također mogu sudarati kao u slučaju Large Electron-Positron Collider (LEPC) i SuperKEKB sudarača. Jedan od glavnih problema s elektron-pozitronskim leptonskim sudaračem je veliki gubitak energije zbog sinkrotronskog zračenja kada su čestice prisiljene u kružnu orbitu, što se može prevladati korištenjem miona. Poput elektrona, mioni su elementarne čestice, ali su 200 puta teži od elektrona pa je stoga mnogo manji gubitak energije zbog sinkrotronskog zračenja.
Za razliku od hadronskih sudarača, mionski sudarač može raditi s manje energije, što mionski sudarač od 10 TeV čini jednakim hadronskom sudaraču od 100 TeV. Stoga bi mionski sudarači mogli postati relevantniji nakon Velikog hadronskog sudarača visoke svjetlosti (HL – LHC) za eksperimente fizike visokih energija u odnosu na FCC-ee, ili KLIK (Compact Linear Collider) ili ILC (Međunarodni linearni sudarač). S obzirom na dugotrajne vremenske okvire budućih visokoenergetskih sudarača, mionski sudarači mogli bi biti samo potencijalni istraživački alat u fizici čestica u sljedeća tri desetljeća. Mioni mogu biti korisni za ultraprecizna mjerenja anomalnog magnetskog momenta (g-2) i električnog dipolnog momenta (EDM) prema istraživanju izvan standardnog modela. Mionska tehnologija također ima primjenu u nekoliko interdisciplinarnih istraživačkih područja.
Međutim, postoje tehnički izazovi u realizaciji mionskih sudarača. Za razliku od hadrona i elektrona koji se ne raspadaju, mioni imaju kratak životni vijek od samo 2.2 mikrosekunde prije nego što se raspadnu na elektron i neutrine. No životni vijek miona povećava se s energijom što implicira da se njegov raspad može odgoditi ako se brzo ubrza. Ali ubrzavanje miona je tehnički teško jer nemaju isti smjer ili brzinu.
Nedavno su istraživači u Japanskom istraživačkom kompleksu protonskog akceleratora (J-PARC) uspjeli prevladati izazove mionske tehnologije. Uspjeli su po prvi put u svijetu ubrzati pozitivni mion na približno 4% brzine svjetlosti. Ovo je bila prva demonstracija hlađenja i ubrzanja pozitivnog miona nakon godina kontinuiranog razvoja tehnologija hlađenja i ubrzanja.
Akcelerator protona u J-PARC-u proizvodi približno 100 milijuna miona u sekundi. To se postiže ubrzavanjem protona do brzine svjetlosti i dopuštanjem da udare u grafit kako bi formirali pione. Mioni nastaju kao produkt raspada piona.
Istraživački tim proizveo je pozitivne mione koji imaju brzinu od oko 30% brzine svjetlosti i ubacio ih u aerogel od silicija. Dopušteno je mionima da se kombiniraju s elektronima u aerogelu silika gela što rezultira stvaranjem mionija (neutralne čestice nalik atomu ili pseudo atoma koji se sastoji od pozitivnog miona u središtu i elektrona oko pozitivnog miona). Nakon toga, elektroni su odvojeni od mionija putem zračenja laserom koji je dao pozitivne mione ohlađene na oko 0.002% brzine svjetlosti. Nakon toga su ohlađeni pozitivni mioni ubrzani pomoću radiofrekvencijskog električnog polja. Tako stvoreni ubrzani pozitivni mioni bili su usmjereni jer su krenuli od blizu nule postajući visoko usmjerena mionska zraka jer su postupno ubrzavani dosežući približno 4% brzine svjetlosti. Ovo je prekretnica u tehnologiji mionskog ubrzanja.
Istraživački tim planira na kraju ubrzati pozitivne mione do 94% brzine svjetlosti.
***
Reference:
- Sveučilište u Oregonu. Rani svemir – prema početku Tima. Dostupno na https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Ubrzavanje znanosti – mionski sudarač. Dostupno na https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Priopćenje za javnost – Prvo hlađenje i ubrzanje miona na svijetu. Objavljeno 23. svibnja 2024. Dostupno na https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Ubrzanje pozitivnih miona pomoću radiofrekvencijske šupljine. Pretisak na arXiv. Predano 15. listopada 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Vezani članci
Osnovne čestice Kratki pregled. Kvantna isprepletenost između "top kvarkova" pri najvišim promatranim energijama (22 rujan 2024).
***
