برخورد دهنده های ذرات برای مطالعه "جهان بسیار اولیه": برخورد دهنده میون نشان داده شده است

شتاب‌دهنده‌های ذرات به عنوان ابزار تحقیقاتی برای مطالعه جهان بسیار اولیه استفاده می‌شوند. برخورددهنده های هادرون (به ویژه برخورد دهنده هادرون بزرگ سرن LHC) و برخورددهنده های الکترون-پوزیترون در اکتشاف جهان بسیار اولیه در خط مقدم هستند. آزمایش‌های ATLAS و CMS در برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) در کشف بوزون هیگز در سال 2012 موفقیت‌آمیز بود. برخورددهنده میون می‌تواند کاربرد قابل‌توجهی در چنین مطالعاتی داشته باشد، اما هنوز واقعیت ندارد. اکنون محققان موفق شده اند یک میون مثبت را تا حدود 4 درصد سرعت نور شتاب دهند. این اولین خنک کننده و شتاب میون در جهان است. به عنوان اثبات مفهوم، این راه را برای تحقق اولین شتاب دهنده میون در آینده نزدیک هموار می کند.  

جهان اولیه در حال حاضر توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در حال مطالعه است. JWST که منحصراً به مطالعه جهان اولیه اختصاص دارد، این کار را با گرفتن سیگنال های نوری/مادون قرمز از ستارگان و کهکشان های اولیه تشکیل شده در جهان پس از انفجار بزرگ انجام می دهد. اخیراً، JWST دورترین کهکشان JADES-GS-z14-0 را با موفقیت کشف کرد که در اوایل جهان حدود 290 میلیون سال پس از انفجار بزرگ شکل گرفته است.  

سه مرحله از جهان وجود دارد - عصر تابش، عصر ماده و عصر انرژی تاریک فعلی. از بیگ بنگ تا حدود 50,000 سال، جهان تحت سلطه تابش بود. به دنبال آن دوران ماده دنبال شد. دوره کهکشانی عصر ماده که از حدود 200 میلیون سال پس از انفجار بزرگ تا حدود 3 میلیارد سال پس از انفجار بزرگ به طول انجامید، با تشکیل ساختارهای بزرگ مانند کهکشان ها مشخص شد. این دوره معمولاً به عنوان "جهان اولیه" شناخته می شود که JWST مطالعه می کند.  

"جهان بسیار اولیه" به اولین مرحله جهان بلافاصله پس از انفجار بزرگ، زمانی که بسیار داغ بود و به طور کامل تحت سلطه تابش بود، اشاره دارد. دوره پلانک اولین دوره از دوران تابش است که از بیگ بنگ تا 10 به طول انجامید.^-43 س با دمای 10³² K، جهان در این دوره فوق العاده داغ بود. دوره پلانک با دوره های کوارک، لپتون و هسته ای دنبال شد. همه آنها عمر کوتاهی داشتند اما با دمای بسیار بالا مشخص می شدند که با انبساط کیهان به تدریج کاهش یافت.  

مطالعه مستقیم این اولین مرحله از جهان ممکن نیست. کاری که می توان انجام داد این است که شرایط سه دقیقه اول جهان پس از انفجار بزرگ را در شتاب دهنده های ذرات بازسازی کنیم. داده‌های تولید شده از برخورد ذرات در شتاب‌دهنده‌ها/برخوردکننده‌ها، پنجره‌ای غیرمستقیم به جهان بسیار اولیه ارائه می‌دهد.  

برخورددهنده ها ابزار تحقیقاتی بسیار مهمی در فیزیک ذرات هستند. اینها ماشین‌های دایره‌ای یا خطی هستند که ذرات را با سرعت‌های بسیار بالا نزدیک به سرعت نور شتاب می‌دهند و به آنها اجازه می‌دهند با ذره‌ای دیگر که از جهت مخالف یا با هدف می‌آیند برخورد کنند. این برخوردها دمای بسیار بالایی در حد تریلیون ها کلوین ایجاد می کند (مشابه شرایط موجود در اولین دوره های عصر تشعشع). انرژی‌های ذرات در حال برخورد اضافه می‌شود، بنابراین انرژی برخورد بالاتر است که بر اساس تقارن جرم-انرژی به ماده به شکل ذرات عظیمی که در جهان بسیار اولیه وجود داشته‌اند، تبدیل می‌شود. چنین فعل و انفعالاتی بین ذرات پر انرژی در شرایطی که در کیهان بسیار اولیه وجود داشت، پنجره هایی را به دنیای غیرقابل دسترس آن زمان می دهد و تجزیه و تحلیل محصولات جانبی برخوردها راهی برای درک قوانین حاکم بر فیزیک ارائه می دهد.  

شاید مشهورترین نمونه برخورددهنده ها برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) سرن باشد، یعنی برخورد دهنده هایی با اندازه بزرگ که در آن هادرون ها (ذرات مرکب ساخته شده از کوارک ها مانند پروتون ها و نوترون ها) با هم برخورد می کنند. این بزرگترین و قوی ترین برخورددهنده در جهان است که با انرژی 13 TeV (ترالکترون ولت) برخورد ایجاد می کند که بالاترین انرژی است که یک شتاب دهنده به آن می رسد. مطالعه محصولات جانبی این برخوردها تاکنون بسیار غنی بوده است. کشف بوزون هیگز در سال 2012 توسط آزمایش های ATLAS و CMS در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) نقطه عطفی در علم است.  

مقیاس مطالعه برهمکنش ذرات با انرژی شتاب دهنده تعیین می شود. برای کاوش در مقیاس های کوچکتر و کوچکتر، به شتاب دهنده هایی با انرژی بالاتر و بالاتر نیاز دارید. بنابراین، برای اکتشاف کامل مدل استاندارد فیزیک ذرات و بررسی در مقیاس‌های کوچک‌تر، همیشه جست‌وجو برای شتاب‌دهنده‌هایی با انرژی بالاتر از آنچه در حال حاضر موجود است، وجود دارد. بنابراین، چندین شتاب دهنده جدید با انرژی بالاتر در حال حاضر در حال ساخت هستند.  

برخورد دهنده هادرون بزرگ با درخشندگی بالا (HL – LHC) سرن که احتمالاً تا سال 2029 عملیاتی می شود، برای تقویت عملکرد LHC با افزایش تعداد برخوردها طراحی شده است تا امکان مطالعه مکانیسم های شناخته شده را با جزئیات بیشتر فراهم کند. از سوی دیگر، برخورددهنده دایره‌ای آینده (FCC) پروژه برخورددهنده‌های ذره‌ای با عملکرد بسیار بلندپروازانه سرن است که حدود 100 کیلومتر در محیط 200 متر زیر زمین خواهد بود و پس از برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) خواهد بود. ساخت آن احتمالاً در سال 2030 آغاز می شود و در دو مرحله اجرا می شود: FCC-ee (اندازه گیری های دقیق) تا اواسط دهه 2040 عملیاتی می شود در حالی که FCC-hh (انرژی بالا) در دهه 2070 شروع به کار می کند. FCC باید وجود ذرات جدید و سنگین‌تر را، فراتر از دسترس LHC و وجود ذرات سبک‌تر که با ذرات مدل استاندارد تعامل بسیار ضعیفی دارند، بررسی کند.  

بنابراین، یک گروه از ذراتی که در برخورد دهنده با هم برخورد می کنند، هادرون ها مانند پروتون ها و هسته ها هستند که ذرات مرکب از کوارک ها هستند. اینها سنگین هستند و به محققان اجازه می دهند مانند مورد LHC به انرژی های بالا برسند. گروه دیگر از لپتون ها مانند الکترون ها و پوزیترون ها هستند. این ذرات همچنین می توانند مانند برخورد دهنده بزرگ الکترون-پوزیترون (LEPC) و برخورد دهنده SuperKEKB با یکدیگر برخورد کنند. یکی از مشکلات اصلی برخورد دهنده لپتون مبتنی بر الکترون پوزیترون، اتلاف انرژی زیاد ناشی از تشعشعات سنکروترون زمانی است که ذرات در مدار دایره‌ای قرار می‌گیرند که می‌توان با استفاده از میون بر آن غلبه کرد. مانند الکترون‌ها، میون‌ها ذره‌ای بنیادی هستند اما 200 برابر سنگین‌تر از الکترون‌ها هستند، بنابراین انرژی کمتری به دلیل تابش سینکروترون از دست می‌دهند.  

برخلاف برخورد دهنده هادرون، برخورد دهنده میون می تواند با استفاده از انرژی کمتری کار کند که باعث می شود برخورد دهنده میونی 10 TeV با برخورد دهنده هادرون 100 TeV برابری کند. بنابراین، برخورد دهنده های میونی ممکن است پس از برخورد دهنده هادرون بزرگ با درخشندگی بالا (HL-LHC) برای آزمایش های فیزیک انرژی بالا در مقابل FCC-ee مرتبط تر شوند، یا کلیک کنید (برخورد دهنده خطی فشرده) یا ILC (برخورد دهنده خطی بین المللی). با توجه به زمان‌بندی طولانی برخورددهنده‌های آینده با انرژی بالا، برخورددهنده‌های میونی می‌توانند تنها ابزار تحقیقاتی بالقوه در فیزیک ذرات برای سه دهه آینده باشند. میون‌ها می‌توانند برای اندازه‌گیری فوق‌العاده دقیق گشتاور مغناطیسی غیرعادی (g-2) و گشتاور دوقطبی الکتریکی (EDM) به سمت اکتشاف فراتر از مدل استاندارد مفید باشند. فن آوری میون همچنین در چندین زمینه تحقیقاتی بین رشته ای کاربرد دارد.  

با این حال، چالش‌های فنی در تحقق برخورددهنده‌های میون وجود دارد. برخلاف هادرون‌ها و الکترون‌هایی که تجزیه نمی‌شوند، میون‌ها قبل از تجزیه شدن به الکترون و نوترینو، عمر کوتاهی دارند که تنها 2.2 میکروثانیه است. اما طول عمر میون با افزایش انرژی افزایش می‌یابد که نشان می‌دهد در صورت تسریع سریع، فروپاشی آن می‌تواند به تعویق بیفتد. اما شتاب دادن به میون ها از نظر فنی دشوار است زیرا جهت یا سرعت یکسانی ندارند.  

اخیراً محققان مجتمع تحقیقاتی شتاب دهنده پروتون ژاپن (J-PARC) در غلبه بر چالش های فناوری میون موفق شده اند. آنها برای اولین بار در جهان موفق شدند یک میون مثبت را تا حدود 4 درصد سرعت نور شتاب دهند. این اولین نمایش خنک کننده و شتاب میون مثبت پس از سال ها توسعه مداوم فناوری های خنک کننده و شتاب بود.  

شتاب دهنده پروتون در J-PARC تقریباً 100 میلیون میون در ثانیه تولید می کند. این کار با شتاب دادن پروتون ها به سرعت نزدیک به نور و اجازه دادن به آن برای برخورد با گرافیت برای تشکیل پیون ها انجام می شود. میون ها به عنوان محصول فروپاشی پیون ها تشکیل می شوند.  

تیم تحقیقاتی میون های مثبت با سرعتی در حدود 30 درصد سرعت نور تولید کردند و آنها را به آئروژل سیلیکا شلیک کردند. میون‌ها اجازه می‌دهند با الکترون‌های موجود در سیلیکا ایروژل ترکیب شوند و منجر به تشکیل موونیوم (ذره‌ای خنثی و شبه اتم یا شبه اتم متشکل از یک میون مثبت در مرکز و یک الکترون در اطراف میون مثبت) شود. متعاقباً، الکترون‌ها از طریق تابش لیزری که میون‌های مثبت خنک‌شده به حدود 0.002 درصد سرعت نور را از موونیوم جدا کردند. پس از آن، میون های مثبت سرد شده با استفاده از میدان الکتریکی فرکانس رادیویی شتاب گرفتند. میون‌های مثبت شتاب‌دار ایجاد شده جهت‌دار بودند، زیرا از نزدیک صفر شروع به تبدیل شدن به پرتوهای میونی بسیار جهت‌دار می‌کردند و به تدریج شتاب می‌گرفتند و تقریباً به ۴ درصد سرعت نور رسیدند. این یک نقطه عطف در فناوری شتاب میون است.  

تیم تحقیقاتی قصد دارد در نهایت میون های مثبت را تا 94 درصد سرعت نور شتاب دهد. 

*** 

منابع:  

1. دانشگاه اورگان جهان اولیه - به سوی آغاز تیم. موجود در https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. سرن علم شتاب دهنده - برخورد دهنده میون. موجود در https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. بیانیه مطبوعاتی - اولین خنک کننده و شتاب میون در جهان. ارسال شده در 23 مه 2024. موجود در https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S.، و همکاران، 2024. شتاب میون های مثبت توسط یک حفره فرکانس رادیویی. پیش چاپ در arXiv. ارسال شده در 15 اکتبر 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

مقالات مرتبط  

ذرات بنیادی یک نگاه سریع. درهم تنیدگی کوانتومی بین "کوارک های برتر" در بالاترین انرژی های مشاهده شده  (22 سپتامبر 2024).  

***