Deeltjieversnellers word gebruik as navorsingsinstrumente vir die bestudering van baie vroeë heelal. Hadronbotsers (veral CERN se Large Hadron Collider LHC) en elektron-positronbotsers is op die voorgrond in die verkenning van baie vroeë heelal. Die ATLAS- en CMS-eksperimente by die Large Hadron Collider (LHC) was suksesvol om Higgs-boson in 2012 te ontdek. Muonbotser kan van groot nut wees in sulke studies, maar dit is nog nie 'n werklikheid nie. Navorsers het nou daarin geslaag om 'n positiewe muon tot ongeveer 4% van die spoed van lig te versnel. Dit is die wêreld se eerste verkoeling en versnelling van muon. As bewys-van-konsep-demonstrasie baan dit die weg vir realisering van die eerste muonversneller in die nabye toekoms.
Die vroeë heelal word tans deur die James Webb-ruimteteleskoop (JWST) bestudeer. JWST, wat uitsluitlik toegewy is aan die studie van die vroeë heelal, doen dit deur optiese/infrarooi seine op te tel van die vroeë sterre en sterrestelsels wat in die heelal gevorm is na die Oerknal. Onlangs het JWST die mees verste sterrestelsel JADES-GS-z14-0 suksesvol ontdek wat in die vroeë heelal sowat 290 miljoen jaar ná die Oerknal gevorm is.
Daar is drie fases van die heelal – bestralingsera, materieera en die huidige donker energie-era. Vanaf die Oerknal tot ongeveer 50,000 200 jaar is die heelal deur bestraling oorheers. Dit is gevolg deur die saak-era. Die galaktiese tydperk van die materie-era wat geduur het van ongeveer 3 miljoen jaar na die Oerknal tot ongeveer XNUMX miljard jaar na die Oerknal, is gekenmerk deur die vorming van groot strukture soos sterrestelsels. Hierdie epog word gewoonlik na verwys as "vroeë heelal" wat JWST bestudeer.
“Baie vroeë heelal” verwys na die vroegste fase van die heelal kort ná die Oerknal toe dit uiters warm was en heeltemal deur die straling oorheers is. Die Plank-tydperk is die eerste tydperk van die bestralingsera wat geduur het vanaf die Oerknal tot 10-43 s. Met 'n temperatuur van 1032 K, die heelal was superwarm in hierdie tydperk. Die Planck-tydperk is gevolg deur die Quark-, Lepton- en Kerntydperke; almal was van korte duur maar gekenmerk deur uiters hoë temperature wat geleidelik verminder het namate die heelal uitgebrei het.
Direkte studie van hierdie vroegste fase van die heelal is nie moontlik nie. Wat wel gedoen kan word, is om die toestande van die eerste drie minute van die heelal ná die Oerknal in die partikelversnellers te herskep. Die data wat gegenereer word deur botsings van die deeltjies in versnellers/botsers bied 'n indirekte venster na 'n baie vroeë heelal.
Colliders is baie belangrike navorsingsinstrumente in partikelfisika. Dit is sirkelvormige of lineêre masjiene wat deeltjies versnel tot baie hoë spoed naby die spoed van lig en hulle toelaat om teen 'n ander deeltjie te bots wat van teenoorgestelde rigting of teen 'n teiken kom. Die botsings genereer uiters hoë temperature in die orde van biljoene Kelvin (soortgelyk aan toestande wat in die vroegste tydperke van die stralingstydperk teenwoordig was). Die energie van botsende deeltjies word bygevoeg, dus is botsingsenergie hoër wat in materie omskep word in die vorm van massiewe deeltjies wat in die baie vroeë heelal bestaan het volgens massa-energie-simmetrie. Sulke interaksies tussen hoë-energiedeeltjies in die toestande wat in die baie vroeë heelal bestaan het, gee vensters na die andersins ontoeganklike wêreld van daardie tyd en ontleding van die neweprodukte van botsings bied 'n manier om die heersende wette van fisika te verstaan.
Miskien is die bekendste voorbeeld van botsers CERN se Large Hadron Collider (LHC), nl. groot grootte botsers waar hadrone (saamgestelde deeltjies wat slegs uit kwarks gemaak word, soos protone en neutrone) bots. Dit is die grootste en kragtigste botser ter wêreld wat botsings teen 'n energie van 13 TeV (tera-elektronvolts) opwek, wat die hoogste energie is wat deur 'n versneller bereik word. Studie van neweprodukte van die botsings was tot dusver baie verrykend. Die ontdekking van Higgs-boson in 2012 deur die ATLAS- en CMS-eksperimente by die Large Hadron Collider (LHC) is 'n mylpaal in die wetenskap.
Die skaal van studie van deeltjieinteraksie word bepaal deur die energie van die versneller. Om op kleiner en kleiner skale te verken, benodig 'n mens versnellers van hoër en hoër energie. Daar is dus altyd 'n soeke na hoër-energieversnellers as wat tans beskikbaar is vir die volle verkenning van die standaardmodel van partikelfisika en ondersoek op kleiner skale. Daarom is verskeie nuwe hoër-energie versnellers tans in die pyplyn.
CERN se High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC), wat waarskynlik teen 2029 in werking sal wees, is ontwerp om die werkverrigting van LHC te verbeter deur die aantal botsings te verhoog om die studie van bekende meganismes in groter detail moontlik te maak. Aan die ander kant is Future Circular Collider (FCC) CERN se hoogs ambisieuse hoërprestasie-deeltjiebotsingsprojek wat ongeveer 100 km in omtrek 200 meter onder die grond sou wees en sou volg op die Large Hadron Collider (LHC). Die konstruksie daarvan sal waarskynlik in 2030's begin en sal in twee fases geïmplementeer word: FCC-ee (presisiemetings) sal in die middel van die 2040's in werking wees, terwyl FCC-hh (hoë energie) in 2070's begin werk. FCC moet die bestaan van nuwe, swaarder deeltjies ondersoek, buite die bereik van die LHC en die bestaan van ligter deeltjies wat baie swak met Standard Model deeltjies interaksie het.
Dus, een groep deeltjies wat in 'n botser bots, is hadrone soos protone en kerne wat saamgestelde deeltjies is wat van kwarks gemaak is. Dit is swaar en laat navorsers toe om hoë energieë te bereik soos in die geval van LHC. Ander groep is van leptone soos elektrone en positrone. Hierdie deeltjies kan ook bots soos in die geval van Groot Electron-Positron Collider (LEPC) en SuperKEKB botser. Een groot probleem met die elektron-positron-gebaseerde leptonbotser is groot energieverlies as gevolg van sinkrotronbestraling wanneer deeltjies in sirkelvormige wentelbaan gedwing word wat oorkom kan word deur muone te gebruik. Soos elektrone, is muone elementêre deeltjies, maar is 200 keer swaarder as elektrone, dus baie minder energieverlies as gevolg van sinkrotronbestraling.
Anders as hadronbotsers, kan 'n muonbotser hardloop met minder energie, wat 'n 10 TeV muonbotser op gelyke voet met 'n 100 TeV hadronbotser maak. Daarom kan muonbotsers meer relevant word na High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) vir hoë-energie fisika-eksperimente teenoor FCC-ee, of KLIK (Compact Linear Collider) of ILC (International Linear Collider). Gegewe uitgerekte tydlyne van hoë-energie toekomstige botsers, kan muonbotsers vir die volgende drie dekades slegs potensiële navorsingsinstrument in partikelfisika wees. Muone kan nuttig wees vir ultra-akkurate meting van afwykende magnetiese moment (g-2) en elektriese dipoolmoment (EDM) vir verkenning buite die standaardmodel. Die muon-tegnologie het toepassings ook in verskeie interdissiplinêre navorsingsareas.
Daar is egter tegniese uitdagings om muonbotsers te verwesenlik. Anders as hadrone en elektrone wat nie verval nie, het muone 'n kort leeftyd van slegs 2.2 mikrosekondes voordat dit in 'n elektron en neutrino's verval. Maar muon se leeftyd neem toe met energie wat beteken dat sy verval uitgestel kan word as dit vinnig versnel word. Maar om muone te versnel is tegnies moeilik omdat hulle nie dieselfde rigting of spoed het nie.
Onlangs het die navorsers by Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) daarin geslaag om muon-tegnologie-uitdagings te oorkom. Hulle het vir die eerste keer in die wêreld daarin geslaag om 'n positiewe muon tot ongeveer 4% van die spoed van lig te versnel. Dit was die eerste demonstrasie van verkoeling en versnelling van positiewe muon ná jare se voortdurende ontwikkeling van verkoelings- en versnellingstegnologieë.
Die protonversneller by J-PARC produseer ongeveer 100 miljoen muone per sekonde. Dit word gedoen deur protone te versnel tot naby die spoed van lig en dit toe te laat om grafiet te tref om pione te vorm. Muone word gevorm as vervalproduk van pioene.
Die navorsingspan het positiewe muone met 'n spoed van ongeveer 30% van die spoed van lig geproduseer en hulle in silika-aerogel geskiet. Die toegelaat muone om te kombineer met elektrone in die silika aerogel wat lei tot die vorming van muonium ('n neutrale, atoomagtige deeltjie of pseudo-atoom wat bestaan uit 'n positiewe muon in die middel en 'n elektron rondom die positiewe muon). Daarna is elektrone van muonium gestroop deur bestraling deur laser wat positiewe muone gegee het wat afgekoel is tot ongeveer 0.002% van die spoed van lig. Daarna is die afgekoelde positiewe muone versnel met behulp van radiofrekwensie elektriese veld. Die versnelde positiewe muone wat aldus geskep is, was rigtinggewend omdat hulle van byna nul begin het, wat hoogs rigtinggewende muonstrale geword het en geleidelik versnel is en ongeveer 4% van die ligspoed bereik het. Dit is 'n mylpaal in muonversnellingstegnologie.
Die navorsingspan beplan om uiteindelik positiewe muone tot 94% van die spoed van lig te versnel.
***
Verwysings:
- Universiteit van Oregon. Die vroeë heelal – na die begin van Tim. Beskikbaar by https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Versnel wetenskap – Muon botsing. Beskikbaar by https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Persverklaring – Wêreld se eerste verkoeling en versnelling van muon. Geplaas 23 Mei 2024. Beskikbaar by https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Versnelling van positiewe muone deur 'n radiofrekwensieholte. Voordruk by arXiv. Ingedien op 15 Oktober 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Verwante artikels
Fundamentele deeltjies 'n Vinnige blik. Kwantumverstrengeling tussen "Top Quarks" by die hoogste energieë waargeneem (22 September 2024).
***
 and electron-positron colliders are in forefront in exploration of very early universe. The ATLAS and CMS experiments at the Large Hadron Collider (LHC) were successful in discovering Higgs boson in 2012. Muon collider could be of considerable use in such studies however it is not a reality yet. Researchers have now succeeded in accelerating a positive muon to approximately 4% of the speed of light. This is world's first cooling and acceleration of muon. As proof-of-concept demonstration, this paves the way for realisation of first muon accelerator in near future.){kind=link}