Ciocnitori de particule pentru studiul „Universului foarte timpuriu”: Ciocnitorul de muoni a fost demonstrat

Acceleratorii de particule sunt folosiți ca instrumente de cercetare pentru studiul universului foarte timpuriu. Ciocnitorii de hadroni (în special Large Hadron Collider LHC de la CERN) și ciocnitorii electroni-pozitroni sunt în prim-plan în explorarea universului foarte timpuriu. Experimentele ATLAS și CMS de la Large Hadron Collider (LHC) au avut succes în descoperirea bosonului Higgs în 2012. Ciocniderul cu muoni ar putea fi de un folos considerabil în astfel de studii, dar nu este încă o realitate. Cercetătorii au reușit acum să accelereze un muon pozitiv la aproximativ 4% din viteza luminii. Aceasta este prima răcire și accelerare a muonului din lume. Ca demonstrație a conceptului, aceasta deschide calea pentru realizarea primului accelerator de muoni în viitorul apropiat.  

Universul timpuriu este în prezent studiat de telescopul spațial James Webb (JWST). Dedicat exclusiv studiului universului timpuriu, JWST face acest lucru prin captarea semnalelor optice/infraroșu de la primele stele și galaxii formate în Univers după Big Bang. Recent, JWST a descoperit cu succes cea mai îndepărtată galaxie JADES-GS-z14-0 formată în universul timpuriu la aproximativ 290 de milioane de ani după Big Bang.  

Există trei faze ale universului - era radiației, era materiei și era actuală a energiei întunecate. De la Big Bang până la aproximativ 50,000 de ani, universul a fost dominat de radiații. Aceasta a fost urmată de era materiei. Epoca galactică a erei materiei, care a durat de la aproximativ 200 de milioane de ani după Big Bang până la aproximativ 3 miliarde de ani după Big Bang, a fost caracterizată prin formarea de structuri mari precum galaxiile. Această epocă este de obicei denumită „univers timpuriu” pe care îl studiază JWST.  

„Universul foarte timpuriu” se referă la cea mai timpurie fază a universului, la scurt timp după Big Bang, când era extrem de fierbinte și era dominată complet de radiații. Epoca Plank este prima epocă a erei radiațiilor care a durat de la Big Bang până la 10^-43 s. Cu o temperatură de 10³² K, universul era super fierbinte în această epocă. Epoca Planck a fost urmată de epocile Quark, Lepton și Nuclear; toate au fost de scurtă durată, dar caracterizate de temperaturi extrem de ridicate care s-au redus treptat pe măsură ce universul se extinde.  

Studiul direct al acestei faze timpurii a universului nu este posibil. Ceea ce se poate face este să recreați condițiile primelor trei minute ale universului după Big Bang în acceleratoarele de particule. Datele generate de ciocnirile particulelor din acceleratoare/colizoare oferă o fereastră indirectă către universul foarte timpuriu.  

Colisionarele sunt instrumente de cercetare foarte importante în fizica particulelor. Acestea sunt mașini circulare sau liniare care accelerează particulele la viteze foarte mari apropiate de viteza luminii și le permit să se ciocnească împotriva unei alte particule care vine din direcția opusă sau împotriva unei ținte. Ciocnirile generează temperaturi extrem de ridicate de ordinul trilioanelor de Kelvin (asemănătoare cu condițiile prezente în primele epoci ale erei radiației). Se adaugă energiile particulelor care se ciocnesc, prin urmare energia de coliziune este mai mare, care este transformată în materie sub formă de particule masive care au existat în universul foarte timpuriu, conform simetriei masă-energie. Astfel de interacțiuni între particulele de înaltă energie în condițiile care au existat în universul foarte timpuriu dau ferestre către lumea altfel inaccesibilă din acea vreme, iar analiza produselor secundare ale coliziunilor oferă o modalitate de a înțelege legile care guvernează fizicii.  

Poate că cel mai faimos exemplu de ciocnitori este Large Hadron Collider (LHC) de la CERN, și anume, ciocnitoarele de mari dimensiuni în care hadronii (particule compuse numai din quarci, cum ar fi protoni și neutroni) se ciocnesc. Este cel mai mare și cel mai puternic colizor din lume care generează coliziuni la o energie de 13 TeV (teraelectronvolți), care este cea mai mare energie atinsă de un accelerator. Studiul produselor secundare ale coliziunilor a fost foarte îmbogățitor până acum. Descoperirea bosonului Higgs în 2012 de către experimentele ATLAS și CMS de la Large Hadron Collider (LHC) este o piatră de hotar în știință.  

Scara de studiu a interacțiunii particulelor este determinată de energia acceleratorului. Pentru a explora la scară din ce în ce mai mică, este nevoie de acceleratori de energie din ce în ce mai mare. Deci, există întotdeauna o căutare a acceleratoarelor cu energie mai mare decât cele disponibile în prezent pentru explorarea completă a modelului standard de fizică a particulelor și investigarea la scară mai mică. Prin urmare, mai multe noi acceleratoare de energie mai mare sunt în prezent în curs de dezvoltare.  

Ciocnitorul de hadroni de mare luminozitate (HL – LHC) al CERN, care este probabil să fie operațional până în 2029, este conceput pentru a crește performanța LHC prin creșterea numărului de coliziuni, astfel încât să permită studiul mecanismelor cunoscute mai detaliat. Pe de altă parte, Future Circular Collider (FCC) este proiectul foarte ambițios de coliziune de particule de performanță superioară al CERN, care ar avea o circumferință de aproximativ 100 km la 200 de metri sub sol și ar urma să urmeze colizătorul de hadroni (LHC). Construcția sa va începe probabil în anii 2030 și va fi implementată în două etape: FCC-ee (măsurători de precizie) va fi operațională până la mijlocul anilor 2040, în timp ce FCC-hh (energie ridicată) începe să funcționeze în anii 2070. FCC ar trebui să exploreze existența unor noi particule mai grele, dincolo de accesul LHC și existența unor particule mai ușoare care interacționează foarte slab cu particulele modelului standard.  

Astfel, un grup de particule care se ciocnesc într-un ciocnitor sunt hadronii, cum ar fi protonii și nucleele, care sunt particule compozite formate din quarci. Acestea sunt grele și permit cercetătorilor să atingă energii mari, ca în cazul LHC. Un alt grup este de leptoni, cum ar fi electronii și pozitronii. Aceste particule se pot ciocni, de asemenea, ca și în cazul ciocnitorului mare electron-pozitron (LEPC) și al ciocnitorului SuperKEKB. O problemă majoră cu ciocnitorul de leptoni bazat pe electroni-pozitroni este pierderea mare de energie din cauza radiației sincrotronului atunci când particulele sunt forțate pe o orbită circulară, care poate fi depășită prin utilizarea muonii. La fel ca electronii, muonii sunt particule elementare, dar sunt de 200 de ori mai grei decât electronii, prin urmare, pierderi de energie mult mai reduse din cauza radiației sincrotron.  

Spre deosebire de colisionarele cu hadroni, un colisionator cu muoni poate rula folosind mai puțină energie, ceea ce face ca un colisionator cu muoni de 10 TeV să fie la egalitate cu un colisionator cu hadroni de 100 TeV. Prin urmare, ciocnitorii de muoni pot deveni mai relevanți după High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) pentru experimente de fizică de înaltă energie în raport cu FCC-ee sau CLIC (Compact Linear Collider) sau ILC (International Linear Collider). Având în vedere cronologia prelungită a viitorilor ciocnitori de mare energie, ciocnitorii cu muoni ar putea fi doar un potențial instrument de cercetare în fizica particulelor pentru următoarele trei decenii. Muonii pot fi utili pentru măsurarea ultra-preciză a momentului magnetic anormal (g-2) și a momentului dipolului electric (EDM) în vederea explorării dincolo de modelul standard. Tehnologia muonilor are aplicații și în mai multe domenii de cercetare interdisciplinare.  

Cu toate acestea, există provocări tehnice în realizarea ciocnitorilor de muoni. Spre deosebire de hadroni și electroni care nu se descompun, muonii au o durată de viață scurtă de doar 2.2 microsecunde înainte de a se descompune într-un electron și neutrini. Dar durata de viață a muonului crește odată cu energia, ceea ce implică dezintegrarea sa poate fi amânată dacă este accelerată rapid. Dar accelerarea muonilor este dificilă din punct de vedere tehnic, deoarece nu au aceeași direcție sau viteză.  

Recent, cercetătorii de la Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) au reușit să depășească provocările tehnologice de muoni. Ei au reușit să accelereze un muon pozitiv la aproximativ 4% din viteza luminii pentru prima dată în lume. Aceasta a fost prima demonstrație de răcire și accelerare a muonului pozitiv după ani de dezvoltare continuă a tehnologiilor de răcire și accelerare.  

Acceleratorul de protoni de la J-PARC produce aproximativ 100 de milioane de muoni pe secundă. Acest lucru se realizează prin accelerarea protonilor până aproape de viteza luminii și permițându-i să lovească grafitul pentru a forma pioni. Muonii se formează ca produs de descompunere a pionilor.  

Echipa de cercetare a produs muoni pozitivi cu o viteză de aproximativ 30% din viteza luminii și i-a aruncat în aerogel de silice. Muonii au permis să se combine cu electronii din aerogelul de silice, rezultând formarea de muoniu (o particulă neutră, asemănătoare unui atom sau pseudoatom, constând dintr-un muon pozitiv în centru și un electron în jurul muonului pozitiv). Ulterior, electronii au fost scoși din muonium prin iradiere cu laser care a dat muoni pozitivi răciți la aproximativ 0.002% din viteza luminii. După aceea, muonii pozitivi răciți au fost accelerați folosind câmpul electric de radiofrecvență. Muonii pozitivi accelerați astfel creați au fost direcționali, deoarece au început de la aproape zero, devenind fascicul de muoni foarte direcțional, pe măsură ce au fost accelerați treptat atingând aproximativ 4% din viteza luminii. Aceasta este o piatră de hotar în tehnologia de accelerare a muonilor.  

Echipa de cercetare intenționează să accelereze în cele din urmă muonii pozitivi la 94% din viteza luminii. 

*** 

Referinte:  

1. Universitatea din Oregon. Universul timpuriu – spre începutul lui Tim. Disponibil la https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Accelerarea științei – acceleratorul de muoni. Disponibil la https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Comunicat de presă – Prima răcire și accelerare a muonului din lume. Postat pe 23 mai 2024. Disponibil la https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Accelerarea muonilor pozitivi de către o cavitate de radiofrecvență. Preprint la arXiv. Trimis pe 15 octombrie 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Articole pe aceeași temă  

Particule fundamentale O privire rapidă. Încheierea cuantică între „Quarcii de top” la cele mai înalte energii observate  (22 septembrie 2024).  

***