Ускорители на частици за изследване на „Много ранна вселена“: демонстриран мюонен ускорител

Ускорителите на частици се използват като изследователски инструменти за изследване на много ранна вселена. Адронните колайдери (по-специално Големият адронен колайдер LHC на CERN) и електрон-позитронните колайдери са начело в изследването на много ранната вселена. Експериментите ATLAS и CMS в Големия адронен колайдер (LHC) бяха успешни при откриването на бозона на Хигс през 2012 г. Мюонният колайдер може да бъде от значителна полза в подобни изследвания, но все още не е реалност. Сега изследователите са успели да ускорят положителен мюон до приблизително 4% от скоростта на светлината. Това е първото в света охлаждане и ускоряване на мюон. Като демонстрация на доказателство за концепцията, това проправя пътя за реализацията на първия мюонен ускорител в близко бъдеще.  

Ранната вселена в момента се изучава от космическия телескоп Джеймс Уеб (JWST). Посветен изключително на изследването на ранната вселена, JWST прави това, като улавя оптични/инфрачервени сигнали от ранните звезди и галактики, образувани във Вселената след Големия взрив. Наскоро JWST успешно откри най-отдалечената галактика JADES-GS-z14-0, образувана в ранната вселена около 290 милиона години след Големия взрив.  

Има три фази на Вселената – ера на радиация, ера на материя и текуща ера на тъмна енергия. От Големия взрив до около 50,000 200 години Вселената е била доминирана от радиация. Това беше последвано от ерата на материята. Галактическата епоха на ерата на материята, която продължи от около 3 милиона години след Големия взрив до около XNUMX милиарда години след Големия взрив, се характеризира с образуването на големи структури като галактики. Тази епоха обикновено се нарича "ранна вселена", която JWST изучава.  

„Много ранна вселена“ се отнася до най-ранната фаза на Вселената скоро след Големия взрив, когато е било изключително горещо и е доминирано изцяло от радиацията. Епохата на Планк е първата епоха от радиационната ера, която продължава от Големия взрив до 10^-43 s. С температура 10³² K, вселената е била супер гореща в тази епоха. Епохата на Планк е последвана от епохата на кварка, лептона и ядра; всички са били краткотрайни, но се характеризират с изключително високи температури, които постепенно намаляват с разширяването на Вселената.  

Директното изследване на тази най-ранна фаза на Вселената не е възможно. Това, което може да се направи, е да се пресъздадат условията на първите три минути на Вселената след Големия взрив в ускорителите на частици. Данните, генерирани от сблъсъци на частици в ускорители/ускорители, предлагат индиректен прозорец към много ранна вселена.  

Колайдерите са много важни изследователски инструменти във физиката на елементарните частици. Това са кръгли или линейни машини, които ускоряват частиците до много високи скорости, близки до скоростта на светлината, и им позволяват да се сблъскат с друга частица, идваща от противоположна посока или срещу цел. Сблъсъците генерират изключително високи температури от порядъка на трилиони Келвини (подобно на условията, присъстващи в най-ранните епохи от ерата на радиацията). Енергиите на сблъскващи се частици се добавят, следователно енергията на сблъсък е по-висока, която се трансформира в материя под формата на масивни частици, които са съществували в много ранната вселена според симетрията маса-енергия. Такива взаимодействия между високоенергийни частици в условията, които са съществували в много ранната вселена, дават прозорци към иначе недостъпния свят от онова време и анализът на страничните продукти от сблъсъци предлага начин за разбиране на управляващите закони на физиката.  

Може би най-известният пример за колайдери е Големият адронен колайдер (LHC) на CERN, т.е. големи колайдери, в които се сблъскват адрони (съставни частици, направени само от кварки, като протони и неутрони). Това е най-големият и най-мощен колайдер в света, който генерира сблъсъци при енергия от 13 TeV (тераелектронволта), което е най-високата енергия, достигана от ускорител. Изследването на страничните продукти от сблъсъците е много обогатяващо досега. Откриването на бозона на Хигс през 2012 г. от експериментите ATLAS и CMS в Големия адронен колайдер (LHC) е крайъгълен камък в науката.  

Мащабът на изследване на взаимодействието на частиците се определя от енергията на ускорителя. За изследване във все по-малки мащаби са необходими ускорители с все по-висока и по-висока енергия. Така че винаги има търсене на ускорители с по-висока енергия от наличните в момента за пълно изследване на стандартния модел на физиката на частиците и изследване в по-малки мащаби. Ето защо в момента се подготвят няколко нови ускорителя с по-висока енергия.  

Големият адронен колайдер с висока яркост (HL – LHC) на CERN, който вероятно ще заработи до 2029 г., е предназначен да увеличи производителността на LHC чрез увеличаване на броя на сблъсъци, така че да позволи по-подробно изследване на известните механизми. От друга страна, бъдещият кръгов колайдер (FCC) е изключително амбициозният проект на ЦЕРН за ускорители на частици с по-висока производителност, който ще бъде с обиколка от около 100 км на 200 метра под земята и ще бъде продължение на Големия адронен колайдер (LHC). Изграждането му вероятно ще започне през 2030 г. и ще бъде изпълнено на два етапа: FCC-ee (прецизни измервания) ще започне да функционира до средата на 2040 г., докато FCC-hh (висока енергия) ще започне работа през 2070 г. FCC трябва да проучи съществуването на нови, по-тежки частици, извън обсега на LHC и съществуването на по-леки частици, които взаимодействат много слабо с частиците на стандартния модел.  

Така една група частици, които се сблъскват в колайдер, са адрони като протони и ядра, които са съставни частици, направени от кварки. Те са тежки и позволяват на изследователите да достигнат високи енергии, както в случая с LHC. Друга група е от лептони като електрони и позитрони. Тези частици също могат да се сблъскат, както в случая с Големия електрон-позитронен колайдер (LEPC) и СуперKEKB колайдер. Един основен проблем с базирания на електрон-позитрон лептонен колайдер е голямата загуба на енергия поради синхротронно лъчение, когато частиците са принудени да се движат в кръгова орбита, което може да бъде преодоляно с помощта на мюони. Подобно на електроните, мюоните са елементарни частици, но са 200 пъти по-тежки от електроните, следователно много по-малка загуба на енергия поради синхротронно лъчение.  

За разлика от адронните колайдери, мюонният колайдер може да работи с по-малко енергия, което прави мюонен колайдер от 10 TeV равен на адронен колайдер от 100 TeV. Следователно, мюонните колайдери могат да станат по-подходящи след Големия адронен колайдер с висока светимост (HL – LHC) за експерименти по физика с висока енергия спрямо FCC-ee, или ЩРАКНЕТЕ (Компактен линеен колайдер) или ILC (Международен линеен колайдер). Предвид удължените срокове на високоенергийните бъдещи колайдери, мюонните колайдери могат да бъдат само потенциален изследователски инструмент във физиката на елементарните частици през следващите три десетилетия. Мюоните могат да бъдат полезни за свръхпрецизно измерване на аномален магнитен момент (g-2) и електрически диполен момент (EDM) към изследване извън стандартния модел. Мюонната технология има приложения и в няколко интердисциплинарни изследователски области.  

Съществуват обаче технически предизвикателства при реализирането на мюонни колайдери. За разлика от адроните и електроните, които не се разпадат, мюоните имат кратък живот от само 2.2 микросекунди, преди да се разпаднат на електрон и неутрино. Но животът на мюона се увеличава с енергия, което означава, че неговият разпад може да бъде отложен, ако се ускори бързо. Но ускоряването на мюони е технически трудно, защото те нямат същата посока или скорост.  

Наскоро изследователите от Японския изследователски комплекс за протонен ускорител (J-PARC) успяха да преодолеят предизвикателствата на мюонната технология. Те успяха да ускорят положителен мюон до приблизително 4% от скоростта на светлината за първи път в света. Това беше първата демонстрация на охлаждане и ускоряване на положителен мюон след години на непрекъснато развитие на технологиите за охлаждане и ускоряване.  

Протонният ускорител в J-PARC произвежда приблизително 100 милиона мюона в секунда. Това става чрез ускоряване на протоните до скоростта, близка до скоростта на светлината, и позволяването им да ударят графит, за да образуват пиони. Мюоните се образуват като продукт на разпадане на пиони.  

Изследователският екип произведе положителни мюони със скорост около 30% от скоростта на светлината и ги изстреля в силициев аерогел. Позволените мюони да се комбинират с електрони в силициевия аерогел, което води до образуване на мюоний (неутрална, подобна на атом частица или псевдоатом, състояща се от положителен мюон в центъра и електрон около положителния мюон). Впоследствие електроните бяха отстранени от мюония чрез облъчване с лазер, което даде положителни мюони, охладени до около 0.002% от скоростта на светлината. След това охладените положителни мюони се ускоряват с помощта на радиочестотно електрическо поле. Създадените по този начин ускорени положителни мюони са насочени, защото започват от почти нула, превръщайки се в силно насочен мюонен лъч, като постепенно се ускоряват, достигайки приблизително 4% от скоростта на светлината. Това е крайъгълен камък в технологията за ускоряване на мюони.  

Изследователският екип планира в крайна сметка да ускори положителните мюони до 94% от скоростта на светлината. 

*** 

Литература:  

1. Университет на Орегон. Ранната вселена – към началото на Тим. Наличен в https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. ЦЕРН. Ускоряване на науката – мюонен колайдер. Наличен в https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Съобщение за пресата – Първото в света охлаждане и ускоряване на мюони. Публикувано на 23 май 2024 г. Достъпно на https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Ускоряване на положителни мюони от радиочестотна кухина. Предпечат в arXiv. Изпратено на 15 октомври 2024 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Свързани статии  

Фундаментални частици Бърз поглед. Квантово заплитане между „върхови кварки“ при най-високите наблюдавани енергии  (22 септември 2024).  

***