Partikloakceliloj estas utiligitaj kiel esploriloj por la studo de tre frua universo. Hadronkolizioj (precipe Large Hadron Collider LHC de CERN) kaj elektron-pozitronaj koliziiloj estas avangardaj en esplorado de tre frua universo. La ATLAS- kaj CMS-eksperimentoj ĉe la Large Hadron Collider (LHC) estis sukcesaj en malkovrado de Higgs-bosono en 2012. Muonkolizio povus esti de konsiderinda uzo en tiaj studoj tamen ĝi ne estas realeco ankoraŭ. Esploristoj nun sukcesis akceli pozitivan muonon al proksimume 4% de la lumrapideco. Ĉi tio estas la unua malvarmigo kaj akcelo de muono en la mondo. Kiel pruv-de-koncepta pruvo, tio pavimas la vojon por realigo de unua muona akcelilo en proksima estonteco.
Frua universo nuntempe estas studata de la Kosmoteleskopo James Webb (JWST). Dediĉita ekskluzive al la studo de frua universo, JWST faras tion kolektante optikajn/infraruĝajn signalojn de la fruaj steloj kaj galaksioj formitaj en la Universo post la Praeksplodo. Lastatempe, JWST sukcese malkovris la plej malproksiman galaksion JADES-GS-z14-0 formitan en la frua universo proksimume 290 milionojn da jaroj post la Praeksplodo.
Estas tri fazoj de la universo - radia epoko, materio-epoko kaj la nuna malhela energio-epoko. De la Praeksplodo ĝis proksimume 50,000 jaroj, la universo estis dominita per radiado. Sekvis la afero-epoko. La galaksia epoko de la materio-epoko kiu daŭris de proksimume 200 milionoj da jaroj post la Praeksplodo ĝis proksimume 3 miliardoj da jaroj post la Praeksplodo estis karakterizita per formado de grandaj strukturoj kiel galaksioj. Ĉi tiu epoko estas kutime referita kiel "frua universo", kiun JWST studas.
"Tre frua universo" rilatas al la plej frua fazo de la universo baldaŭ post la Praeksplodo kiam ĝi estis ekstreme varma kaj estis dominita tute per la radiado. La Plank-epoko estas la unua epoko de la radiada epoko kiu daŭris de la Praeksplodo ĝis 10.-43 s. Kun temperaturo de 1032 K, la universo estis supervarma en ĉi tiu epoko. La Planck-epoko estis sekvita per la Quark, Lepton, kaj Nuklea epoko; ĉiuj estis mallongdaŭraj sed karakterizitaj per ekstreme altaj temperaturoj kiuj iom post iom malpliiĝis dum la universo disetendiĝis.
Rekta studo de ĉi tiu plej frua fazo de universo ne estas ebla. Kion oni povas fari estas rekrei la kondiĉojn de la unuaj tri minutoj de la universo post la Praeksplodo en la partiklaj akceliloj. La datenoj generitaj per kolizioj de la partikloj en akceliloj/kolizioj ofertas nerektan fenestron al tre frua universo.
Koliziiloj estas tre gravaj esploriloj en partikla fiziko. Tiuj estas cirklaj aŭ liniaj maŝinoj kiuj akcelas partiklojn al tre altaj rapidecoj proksimaj al la lumrapideco kaj permesas al ili kolizii kontraŭ alia partiklo venanta de kontraŭa direkto aŭ kontraŭ celo. La kolizioj generas ekstreme altajn temperaturojn en la ordo de duilionoj da Kelvino (similaj al kondiĉoj ĉeestantaj en la plej fruaj epokoj de la radiataion-epoko). La energioj de koliziantaj partikloj estas aldonitaj tial kolizienergio estas pli alta kiu estas transformita en materion en la formo de masivaj partikloj kiuj ekzistis en la tre frua universo laŭ mas-energia simetrio. Tiaj interagoj inter altenergiaj partikloj en la kondiĉoj kiuj ekzistis en la tre frua universo donas fenestrojn al la alie nealirebla mondo de tiu tempo kaj analizo de la kromproduktoj de kolizioj ofertas manieron kompreni la regantajn leĝojn de fiziko.
Eble, la plej fama ekzemplo de koliziiloj estas Large Hadron Collider (LHC) de CERN, tio estas, grandgrandaj koliziiloj kie hadronoj (kunmetitaj partikloj faritaj el kvarkoj nur kiel ekzemple protonoj kaj neŭtronoj) kolizias. Ĝi estas la plej granda kaj la plej potenca koliziilo en la mondo, kiu generas koliziojn je energio de 13 TeV (teraelektronvoltoj) kiu estas la plej alta energio atingita per akcelilo. Studo de kromproduktoj de la kolizioj estis tre riĉiga ĝis nun. La malkovro de Higgs-bosono en 2012 per la ATLAS kaj CMS-eksperimentoj ĉe la Granda Koliziigilo de Hadronoj (LHC) estas mejloŝtono en scienco.
La skalo de studo de partikla interagado estas determinita per la energio de la akcelilo. Por esplori je pli kaj pli malgrandaj skaloj, oni postulas akcelilojn de pli kaj pli alta energio. Do, ĉiam estas serĉado de pli alt-energiaj akceliloj ol nuntempe disponeblaj por la plena esplorado de la norma modelo de partikla fiziko kaj esploro ĉe pli malgrandaj skaloj. Tial, pluraj novaj pli alt-energiaj akceliloj estas nuntempe en dukto.
High-Luminosity Large Hadron Collider (HL - LHC) de CERN, kiu verŝajne estos funkcianta antaŭ 2029, estas dizajnita por pliigi efikecon de LHC pliigante la nombron da kolizioj por permesi studon de konataj mekanismoj pli detale. Aliflanke, Future Circular Collider (FCC) estas la tre ambicia pli alta rendimento partiklokolizio-projekto de CERN kiu estus proksimume 100 km en cirkonferenco 200 metrojn sub la grundo kaj sekvus de la Granda Hadronkolizio (LHC). Ĝia konstruo verŝajne komenciĝos en 2030-aj jaroj kaj estus efektivigita en du stadioj: FCC-ee (precizecaj mezuradoj) estos funkcianta meze de 2040-aj jaroj dum FCC-hh (alta energio) komencas operacion en 2070-aj jaroj. FCC devus esplori ekziston de novaj, pli pezaj partikloj, preter la atingo de la LHC kaj ekzisto de pli malpezaj partikloj kiuj interagas tre malforte kun Normmodelaj partikloj.
Tiel, unu grupo de partikloj kiuj kolizias en koliziilo estas hadronoj kiel ekzemple protonoj kaj nukleoj kiuj estas kunmetitaj partikloj faritaj el kvarkoj. Tiuj estas pezaj kaj permesas al esploristoj atingi altajn energiojn kiel en la kazo de LHC. Alia grupo estas de leptonoj kiel elektronoj kaj positronoj. Tiuj partikloj ankaŭ povas kolizii kiel en la kazo de Large Electron-Positron Collider (LEPC) kaj SuperKEKB-kolizio. Unu grava temo kun la elektron-pozitrona bazita leptonkolizio estas granda energiperdo pro sinkrotrona radiado kiam partikloj estas devigitaj en cirkla orbito kiu povas esti venkita uzante muonojn. Kiel elektronoj, muonoj estas elementa partiklo sed estas 200 fojojn pli pezaj ol elektronoj do multe malpli da energiperdo pro sinkrotrona radiado.
Male al hadronkolizioj, muonkolizio povas funkcii uzante malpli da energio kiu faras 10 TeV-muonkolizion ĉe alparo kun 100 TeV-hadronkolizio. Tial, muonkolizioj povas iĝi pli signifaj post- High Luminosity Large Hadron Collider (HL - LHC) por altenergiaj fizikeksperimentoj rilate FCC-ee, aŭ KLIKO (Kompakta Lineara Koliziilo) aŭ ILC (Internacia Lineara Koliziilo). Surbaze de longedaŭraj templinioj de altenergiaj estontaj koliziiloj, muonkolizioj povus esti nur ebla esplorilo en partikla fiziko dum la venontaj tri jardekoj. Muonoj povas esti utilaj por ultrapreciza mezurado de anomalia magneta momento (g-2) kaj elektra dipolmomento (EDM) direkte al esplorado preter la norma modelo. La muonteknologio havas aplikojn ankaŭ en pluraj interfakaj esplorlokoj.
Tamen, ekzistas teknikaj defioj en realigado de muonkolizioj. Male al hadronoj kaj elektronoj kiuj ne kadukiĝas, muonoj havas mallongan vivdaŭron de nur 2.2 mikrosekundoj antaŭ ol ĝi kadukiĝas en elektronon kaj neŭtrinojn. Sed la vivdaŭro de muono pliiĝas kun energio implicante ke ĝia kadukiĝo povas esti prokrastita se akcelate rapide. Sed akceli muonojn estas teknike malfacila ĉar ili ne havas la saman direkton aŭ rapidon.
Lastatempe, la esploristoj de Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) sukcesis venki muonteknologiajn defiojn. Ili sukcesis akceli pozitivan muonon al proksimume 4% de la lumrapideco por la unua fojo en la mondo. Tio estis unua pruvo de malvarmigo kaj akcelo de pozitiva muono post jaroj da kontinua evoluo de malvarmigo kaj akcelo teknologioj.
La protonakcelilo ĉe J-PARC produktas proksimume 100 milionojn da muonoj je sekundo. Tio estas farita akcelante protonojn al proksime de la lumrapideco kaj permesante al ĝi trafi grafiton por formi pionojn. Muonoj estas formitaj kiel kadukiĝoprodukto de pionoj.
La esplorteamo produktis pozitivajn muonojn havantajn rapidecon de ĉirkaŭ 30% la lumrapideco kaj pafis ilin en silika aeroĝelon. La permesitaj muonoj kombini kun elektronoj en la silika aeroĝelo rezultiganta formadon de muonio (neŭtrala, atomsimila partiklo aŭ pseŭdoatomo konsistanta el pozitiva muono en la centro kaj elektrono ĉirkaŭ la pozitiva muono). Poste, elektronoj estis nudigitaj de muonio tra surradiado per lasero kiu donis pozitivajn muonojn malvarmetigitajn al proksimume 0.002% de la lumrapideco. Post tio, la malvarmigitaj pozitivaj muonoj estis akcelitaj uzante radiofrekvencan kampon. La akcelitaj pozitivaj muonoj tiel kreitaj estis unudirektaj ĉar ili komenciĝis de proksime de nulo iĝante tre unudirekta muonradio kiel estis iom post iom akcelitaj atingante proksimume 4% de la lumrapideco. Ĉi tio estas mejloŝtono en muona akcela teknologio.
La esplorteamo planas eventuale akceli pozitivajn muonojn al 94% de la lumrapideco.
***
referencoj:
- Universitato de Oregono. La Frua Universo - Direkte al la Komenco de Tim. Havebla ĉe https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Akcela scienco - Muon-kolizio. Havebla ĉe https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARK. Gazetara komuniko - La unua malvarmigo kaj akcelo de muono en la mondo. Afiŝita la 23-an de majo 2024. Havebla ĉe https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Akcelo de pozitivaj muonoj per radiofrekvenca kavaĵo. Antaŭpreso ĉe arXiv. Submetite la 15an de oktobro 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Rilataj artikoloj
Fundamentaj partikloj Rapida rigardo. Kvantuma Interplektiĝo inter "Top Quarks" ĉe la Plej Altaj Energioj Observitaj (22 Septembro 2024).
***
