Pospeševalniki delcev se uporabljajo kot raziskovalno orodje za preučevanje zelo zgodnjega vesolja. Hadronski trkalnik (zlasti CERN-ov veliki hadronski trkalnik LHC) in elektron-pozitronski trkalnik so v ospredju pri raziskovanju zelo zgodnjega vesolja. Eksperimenti ATLAS in CMS na velikem hadronskem trkalniku (LHC) so bili uspešni pri odkrivanju Higgsovega bozona leta 2012. Mionski trkalnik bi lahko bil zelo uporaben pri takih študijah, vendar še ni resničnost. Raziskovalcem je zdaj uspelo pospešiti pozitivni mion na približno 4 % svetlobne hitrosti. To je prvo ohlajanje in pospeševanje miona na svetu. Kot dokaz koncepta to utira pot realizaciji prvega mionskega pospeševalnika v bližnji prihodnosti.
Zgodnje vesolje trenutno preučuje vesoljski teleskop James Webb (JWST). JWST, posvečen izključno preučevanju zgodnjega vesolja, to počne tako, da zajema optične/infrardeče signale iz zgodnjih zvezd in galaksij, ki so nastale v vesolju po velikem poku. Pred kratkim je JWST uspešno odkril najbolj oddaljeno galaksijo JADES-GS-z14-0, ki je nastala v zgodnjem vesolju približno 290 milijonov let po velikem poku.
Obstajajo tri faze vesolja – doba sevanja, doba materije in trenutna doba temne energije. Od velikega poka do približno 50,000 let je v vesolju prevladovalo sevanje. Sledilo je obdobje materije. Za galaktično dobo materijske dobe, ki je trajala od približno 200 milijonov let po velikem poku do približno 3 milijarde let po velikem poku, je bilo značilno nastajanje velikih struktur, kot so galaksije. To obdobje se običajno imenuje "zgodnje vesolje", ki ga proučuje JWST.
"Zelo zgodnje vesolje" se nanaša na najzgodnejšo fazo vesolja kmalu po velikem poku, ko je bilo izjemno vroče in je v celoti prevladovalo sevanje. Plankova epoha je prva epoha sevalne dobe, ki je trajala od velikega poka do 10.-43 s. S temperaturo 1032 K, vesolje je bilo v tem obdobju super vroče. Planckovi epohi so sledile kvarkove, leptonske in jedrske epohe; vsi so bili kratkotrajni, a zanje so bile značilne izjemno visoke temperature, ki so postopoma padale, ko se je vesolje širilo.
Neposredno preučevanje te najzgodnejše faze vesolja ni mogoče. Kar je mogoče narediti, je poustvariti razmere v prvih treh minutah vesolja po velikem poku v pospeševalnikih delcev. Podatki, ustvarjeni s trki delcev v pospeševalnikih/trkalnikih, ponujajo posredno okno v zelo zgodnje vesolje.
Trkalniki so zelo pomembna raziskovalna orodja v fiziki delcev. To so krožni ali linearni stroji, ki pospešujejo delce do zelo visokih hitrosti, ki so blizu svetlobni hitrosti, in jim omogočajo, da trčijo ob drug delec, ki prihaja iz nasprotne smeri, ali ob tarčo. Trki ustvarjajo izjemno visoke temperature v vrstnem redu trilijonov Kelvinov (podobno pogojem, ki so bili prisotni v najzgodnejših obdobjih dobe sevanja). Energije trkajočih se delcev dodajo, zato je energija trka višja, ki se pretvori v snov v obliki masivnih delcev, ki so obstajali v zelo zgodnjem vesolju glede na simetrijo mase in energije. Takšne interakcije med visokoenergijskimi delci v razmerah, ki so obstajale v zelo zgodnjem vesolju, odpirajo okna v sicer nedostopen svet tistega časa, analiza stranskih produktov trkov pa ponuja način za razumevanje vladajočih zakonov fizike.
Morda je najbolj znan primer trkalnikov CERN-ov veliki hadronski trkalnik (LHC), tj. veliki trkalniki, kjer trčijo hadroni (kompozitni delci, sestavljeni samo iz kvarkov, kot so protoni in nevtroni). Gre za največji in najmočnejši trkalnik na svetu, ki ustvarja trke pri energiji 13 TeV (teraelektronvoltov), kar je največja energija, ki jo doseže pospeševalnik. Preučevanje stranskih produktov trkov je bilo doslej zelo bogato. Odkritje Higgsovega bozona leta 2012 z eksperimentoma ATLAS in CMS na velikem hadronskem trkalniku (LHC) je mejnik v znanosti.
Obseg proučevanja interakcije delcev je določen z energijo pospeševalnika. Za raziskovanje v vedno manjših merilih potrebujemo pospeševalnike vedno višje energije. Zato vedno obstaja iskanje pospeševalnikov z višjo energijo, kot so trenutno na voljo, za popolno raziskovanje standardnega modela fizike delcev in preiskave v manjših merilih. Zato je trenutno v pripravi več novih pospeševalnikov z višjo energijo.
CERN-ov veliki hadronski trkalnik z visoko svetilnostjo (HL – LHC), ki bo verjetno začel delovati do leta 2029, je zasnovan za povečanje učinkovitosti LHC s povečanjem števila trkov, da bi omogočili podrobnejše preučevanje znanih mehanizmov. Po drugi strani pa je Future Circular Collider (FCC) zelo ambiciozen CERN-ov visokozmogljiv projekt trkalnikov delcev, ki bi obsegal okoli 100 km v obsegu 200 metrov pod tlemi in bi sledil velikemu hadronskemu trkalniku (LHC). Njegova gradnja se bo verjetno začela leta 2030 in bi se izvajala v dveh fazah: FCC-ee (natančne meritve) bo deloval sredi leta 2040, medtem ko bo FCC-hh (visoka energija) začel delovati leta 2070. FCC bi moral raziskati obstoj novih, težjih delcev, ki so zunaj dosega LHC, in obstoj lažjih delcev, ki zelo šibko vplivajo na delce standardnega modela.
Tako so ena skupina delcev, ki trčijo v trkalniku, hadroni, kot so protoni in jedra, ki so sestavljeni delci iz kvarkov. Te so težke in omogočajo raziskovalcem, da dosežejo visoke energije, kot v primeru LHC. Druga skupina so leptoni, kot so elektroni in pozitroni. Ti delci lahko tudi trčijo kot v primeru trkalnika Large Electron-Positron Collider (LEPC) in trkalnika SuperKEKB. Ena glavnih težav z leptonskim trkalnikom na osnovi elektronov in pozitronov je velika izguba energije zaradi sinhrotronskega sevanja, ko so delci prisiljeni v krožno orbito, kar je mogoče premagati z uporabo mionov. Tako kot elektroni so mioni osnovni delci, vendar so 200-krat težji od elektronov, zato je izguba energije zaradi sinhrotronskega sevanja veliko manjša.
Za razliko od hadronskih trkalnikov lahko mionski trkalnik deluje z manj energije, zaradi česar je mionski trkalnik s 10 TeV enakovreden hadronskemu trkalniku s 100 TeV. Zato lahko mionski trkalniki postanejo pomembnejši po velikem hadronskem trkalniku visoke svetilnosti (HL – LHC) za fizikalne eksperimente z visoko energijo v primerjavi s FCC-ee ali KLIK (Compact Linear Collider) oz ILC (Mednarodni linearni trkalnik). Glede na dolgotrajne časovne načrte visokoenergijskih prihodnjih trkalnikov bi lahko bili mionski trkalniki le potencialno raziskovalno orodje v fiziki delcev v naslednjih treh desetletjih. Mioni so lahko uporabni za ultra-natančne meritve nenormalnega magnetnega momenta (g-2) in električnega dipolnega momenta (EDM) pri raziskovanju onkraj standardnega modela. Mionska tehnologija ima aplikacije tudi na več interdisciplinarnih raziskovalnih področjih.
Vendar obstajajo tehnični izzivi pri realizaciji mionskih trkalnikov. Za razliko od hadronov in elektronov, ki ne razpadejo, imajo mioni kratko življenjsko dobo le 2.2 mikrosekunde, preden razpadejo na elektron in nevtrine. Vendar se življenjska doba muona povečuje z energijo, kar pomeni, da je njegov razpad mogoče odložiti, če ga hitro pospešimo. Toda pospeševanje mionov je tehnično težko, ker nimajo enake smeri ali hitrosti.
Pred kratkim je raziskovalcem japonskega raziskovalnega kompleksa protonskih pospeševalnikov (J-PARC) uspelo premagati izzive mionske tehnologije. Prvič na svetu jim je uspelo pospešiti pozitivni mion na približno 4 % svetlobne hitrosti. To je bila prva predstavitev hlajenja in pospeševanja pozitivnih mionov po letih nenehnega razvoja tehnologij hlajenja in pospeševanja.
Protonski pospeševalnik v J-PARC proizvede približno 100 milijonov mionov na sekundo. To dosežemo tako, da pospešimo protone skoraj do svetlobne hitrosti in jim omogočimo, da zadenejo grafit in tvorijo pione. Mioni nastanejo kot razpadni produkt pionov.
Raziskovalna skupina je proizvedla pozitivne mione s hitrostjo približno 30 % svetlobne hitrosti in jih izstrelila v aerogel silicijevega dioksida. Dovoljeno je, da se mioni združijo z elektroni v aerogelu silicijevega dioksida, kar ima za posledico nastanek muonija (nevtralnega, atomu podobnega delca ali psevdo atoma, sestavljenega iz pozitivnega miona v središču in elektrona okoli pozitivnega miona). Kasneje so bili elektroni odvzeti iz muonija z obsevanjem z laserjem, ki je dal pozitivne mione, ohlajene na približno 0.002 % svetlobne hitrosti. Nato so ohlajene pozitivne mione pospešili z uporabo radiofrekvenčnega električnega polja. Pospešeni pozitivni mioni, ki so bili tako ustvarjeni, so bili usmerjeni, ker so začeli skoraj od ničle in postali zelo usmerjen mionski žarek, saj so bili postopoma pospešeni in dosegli približno 4 % svetlobne hitrosti. To je mejnik v tehnologiji pospeševanja mionov.
Raziskovalna skupina namerava sčasoma pospešiti pozitivne mione na 94 % svetlobne hitrosti.
***
Reference:
- Univerza v Oregonu. Zgodnje vesolje – proti začetku Tima. Na voljo na https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Pospeševanje znanosti – mionski trkalnik. Na voljo na https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Sporočilo za javnost – Prvo hlajenje in pospeševanje miona na svetu. Objavljeno 23. maja 2024. Na voljo na https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Pospeševanje pozitivnih mionov z radiofrekvenčno votlino. Prednatis pri arXiv. Oddano 15. oktobra 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Sorodni članki
Osnovni delci Hiter pogled. Kvantna prepletenost med »najvišjimi kvarki« pri najvišjih opazovanih energijah (22 september 2024).
***
