Partikelkolliderer til undersøgelse af "Meget tidligt univers": Muon-kolliderer demonstreret

Partikelacceleratorer bruges som forskningsværktøj til undersøgelse af meget tidlige univers. Hadron-kollidere (især CERNs Large Hadron Collider LHC) og elektron-positron-kollidere er i front i udforskningen af ​​meget tidligt univers. ATLAS- og CMS-eksperimenterne ved Large Hadron Collider (LHC) lykkedes med at opdage Higgs-bosonen i 2012. Muon-kollideren kunne være til stor nytte i sådanne undersøgelser, men det er ikke en realitet endnu. Det er nu lykkedes for forskere at accelerere en positiv myon til cirka 4 % af lysets hastighed. Dette er verdens første afkøling og acceleration af myon. Som proof-of-concept demonstration baner dette vejen for realisering af den første myonaccelerator i nær fremtid.  

Det tidlige univers bliver i øjeblikket undersøgt af James Webb Space Telescope (JWST). Dedikeret udelukkende til studiet af det tidlige univers gør JWST det ved at opfange optiske/infrarøde signaler fra de tidlige stjerner og galakser dannet i universet efter Big Bang. For nylig har JWST med succes opdaget den fjerneste galakse JADES-GS-z14-0 dannet i det tidlige univers omkring 290 millioner år efter Big Bang.  

Der er tre faser af universet - strålingsæra, stofæra og den nuværende mørke energiæra. Fra Big Bang til omkring 50,000 år var universet domineret af stråling. Dette blev efterfulgt af sagens æra. Den galaktiske epoke af materieæraen, som varede fra omkring 200 millioner år efter Big Bang til omkring 3 milliarder år efter Big Bang, var karakteriseret ved dannelsen af ​​store strukturer som galakser. Denne epoke omtales normalt som "tidligt univers", som JWST studerer.  

"Meget tidligt univers" refererer til den tidligste fase af universet kort efter Big Bang, da det var ekstremt varmt og var fuldstændig domineret af strålingen. Planke-epoken er den første epoke af strålingsæraen, som varede fra Big Bang til 10.^-43 s. Med en temperatur på 10³² K, universet var super-hot i denne epoke. Planck-epoken blev efterfulgt af Quark-, Lepton- og Nuklear-epokerne; alle var kortlivede, men præget af ekstremt høje temperaturer, som gradvist aftog, efterhånden som universet udvidede sig.  

Direkte undersøgelse af denne tidligste fase af universet er ikke mulig. Det, der kan gøres, er at genskabe forholdene i de første tre minutter af universet efter Big Bang i partikelacceleratorerne. De data, der genereres ved kollisioner af partiklerne i acceleratorer/kollidere, giver et indirekte vindue til meget tidligt univers.  

Colliders er meget vigtige forskningsredskaber inden for partikelfysik. Disse er cirkulære eller lineære maskiner, der accelererer partikler til meget høje hastigheder tæt på lysets hastighed og tillader dem at kollidere mod en anden partikel, der kommer fra den modsatte retning eller mod et mål. Kollisionerne genererer ekstremt høje temperaturer i størrelsesordenen billioner af Kelvin (svarende til forhold, der var til stede i de tidligste epoker af strålingsæraen). Energierne fra kolliderende partikler tilføjes, og derfor er kollisionsenergien højere, som omdannes til stof i form af massive partikler, der eksisterede i det meget tidlige univers i henhold til masse-energi-symmetri. Sådanne interaktioner mellem højenergipartikler under de forhold, der eksisterede i det meget tidlige univers, giver vinduer til datidens ellers utilgængelige verden, og analyse af biprodukterne fra kollisioner tilbyder en måde at forstå fysikkens styrende love.  

Måske er det mest berømte eksempel på kollidere CERN's Large Hadron Collider (LHC), dvs. kollidere i store størrelser, hvor hadroner (sammensatte partikler kun lavet af kvarker såsom protoner og neutroner) kolliderer. Det er den største og mest kraftfulde kolliderer i verden, der genererer kollisioner ved en energi på 13 TeV (teraelektronvolt), som er den højeste energi, der nås af en accelerator. Undersøgelse af biprodukter fra kollisionerne har hidtil været meget berigende. Opdagelsen af ​​Higgs boson i 2012 ved ATLAS- og CMS-eksperimenterne ved Large Hadron Collider (LHC) er en milepæl inden for videnskaben.  

Skalaen for undersøgelse af partikelinteraktion bestemmes af acceleratorens energi. For at udforske i mindre og mindre skalaer kræver man acceleratorer med højere og højere energi. Så der er altid en søgen efter acceleratorer med højere energi end i øjeblikket tilgængelig for den fulde udforskning af standardmodellen for partikelfysik og undersøgelser i mindre skalaer. Derfor er flere nye acceleratorer med højere energi i øjeblikket på vej.  

CERNs High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC), som sandsynligvis vil være operationel i 2029, er designet til at øge ydeevnen af ​​LHC ved at øge antallet af kollisioner for at tillade undersøgelse af kendte mekanismer mere detaljeret. På den anden side er Future Circular Collider (FCC) CERNs meget ambitiøse, højere ydeevne partikelkolliderer-projekt, der ville være omkring 100 km i omkreds 200 meter under jorden og ville følge på Large Hadron Collider (LHC). Dets konstruktion vil sandsynligvis starte i 2030'erne og vil blive implementeret i to faser: FCC-ee (præcisionsmålinger) vil være operationelt i midten af ​​2040'erne, mens FCC-hh (højenergi) begynder at fungere i 2070'erne. FCC bør udforske eksistensen af ​​nye, tungere partikler uden for rækkevidde af LHC og eksistensen af ​​lettere partikler, der interagerer meget svagt med standardmodelpartikler.  

Således er en gruppe af partikler, der støder sammen i en kollider, hadroner såsom protoner og kerner, som er sammensatte partikler lavet af kvarker. Disse er tunge og giver forskere mulighed for at nå høje energier som i tilfældet med LHC. Anden gruppe er af leptoner såsom elektroner og positroner. Disse partikler kan også kollidere som i tilfældet med Large Electron-Positron Collider (LEPC) og SuperKEKB collider. Et stort problem med den elektron-positronbaserede leptonkollider er stort energitab på grund af synkrotronstråling, når partikler tvinges i cirkulær kredsløb, som kan overvindes ved at bruge myoner. Ligesom elektroner er myoner elementære partikler, men er 200 gange tungere end elektroner og derfor meget mindre energitab på grund af synkrotronstråling.  

I modsætning til hadron-kolliderer kan en myon-kollider køre med mindre energi, hvilket gør en 10 TeV muon-kolliderer på niveau med en 100 TeV hadron-kollider. Derfor kan myonkollidere blive mere relevante efter High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) til højenergifysikeksperimenter vis-a-vis FCC-ee, eller KLIK (Compact Linear Collider) eller ILC (International Linear Collider). Givet langvarige tidslinjer for fremtidige kollidere med høj energi, kunne muonkollidere være det eneste potentielle forskningsværktøj inden for partikelfysik i de næste tre årtier. Muoner kan være nyttige til ultrapræcis måling af unormalt magnetisk moment (g-2) og elektrisk dipolmoment (EDM) til udforskning ud over standardmodellen. Muonteknologien har også anvendelser inden for flere tværfaglige forskningsområder.  

Der er dog tekniske udfordringer ved at realisere myonkolliderer. I modsætning til hadroner og elektroner, der ikke henfalder, har muoner en kort levetid på kun 2.2 mikrosekunder, før de henfalder til en elektron og neutrinoer. Men muons levetid øges med energi, hvilket betyder, at dens henfald kan udskydes, hvis den accelereres hurtigt. Men at accelerere myoner er teknisk vanskeligt, fordi de ikke har samme retning eller hastighed.  

For nylig er det lykkedes forskerne ved Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) at overvinde muonteknologiske udfordringer. Det lykkedes dem at accelerere en positiv myon til cirka 4% af lysets hastighed for første gang i verden. Dette var den første demonstration af køling og acceleration af positiv myon efter flere års kontinuerlig udvikling af køle- og accelerationsteknologier.  

Protonacceleratoren hos J-PARC producerer cirka 100 millioner myoner i sekundet. Dette gøres ved at accelerere protoner til nær lysets hastighed og lade det ramme grafit for at danne pioner. Muoner dannes som henfaldsprodukt af pioner.  

Forskerholdet producerede positive myoner med en hastighed på omkring 30 % af lysets hastighed og skød dem ind i silicaaerogel. De tillod myoner at kombinere med elektroner i silicaaerogelen, hvilket resulterede i dannelse af muonium (en neutral, atomlignende partikel eller pseudoatom bestående af en positiv myon i midten og en elektron omkring den positive myon). Efterfølgende blev elektroner strippet fra muonium gennem bestråling med laser, der gav positive muoner afkølet til omkring 0.002% af lysets hastighed. Derefter blev de afkølede positive myoner accelereret ved hjælp af radiofrekvent elektrisk felt. De accelererede positive myoner, der således blev skabt, var retningsbestemte, fordi de startede fra næsten nul og blev meget retningsbestemte myonstråler, som gradvist blev accelereret og nåede cirka 4% af lysets hastighed. Dette er en milepæl inden for myonaccelerationsteknologi.  

Forskerholdet planlægger i sidste ende at accelerere positive myoner til 94% af lysets hastighed. 

*** 

Referencer:  

1. University of Oregon. Det tidlige univers – mod begyndelsen af ​​Tim. Tilgængelig kl https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Accelererende videnskab – Muon-kolliderer. Tilgængelig kl https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Pressemeddelelse – Verdens første afkøling og acceleration af myon. Opslået 23. maj 2024. Tilgængelig på https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Acceleration af positive myoner af et radiofrekvenshulrum. Fortryk hos arXiv. Indsendt den 15. oktober 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Relaterede artikler  

Fundamentale partikler Et hurtigt kig. Kvantesammenfiltring mellem "Top Quarks" ved de højeste observerede energier  (22 September 2024).  

***