Advertisement

Agnaárekstrar til rannsóknar á „Mjög snemma alheimsins“: Sýnt var fram á Muon-árekstra

Agnahraðlar eru notaðir sem rannsóknartæki til að rannsaka mjög snemma alheiminn. Hadron colliders (sérstaklega Large Hadron Collider LHC frá CERN) og rafeinda-positron colliders eru í fremstu röð í könnun á mjög snemma alheiminum. ATLAS og CMS tilraunirnar á Large Hadron Collider (LHC) skiluðu árangri við að uppgötva Higgs bóson árið 2012. Múon collider gæti komið að talsverðu gagni í slíkum rannsóknum, en það er ekki að veruleika ennþá. Vísindamönnum hefur nú tekist að flýta jákvæðu múoni í um það bil 4% af ljóshraða. Þetta er fyrsta kæling og hröðun múon í heiminum. Sem sönnun á hugmyndinni, þetta ryður brautina fyrir framkvæmd fyrsta múon hraðalsins í náinni framtíð.  

Fyrsta alheimurinn er nú rannsakaður af James Webb geimsjónauka (JWST). JWST, sem er eingöngu tileinkað rannsóknum á alheiminum snemma, gerir það með því að taka upp ljós/innrauð merki frá fyrstu stjörnum og vetrarbrautum sem mynduðust í alheiminum eftir Miklahvell. Nýlega uppgötvaði JWST með góðum árangri fjarlægustu vetrarbrautina JADES-GS-z14-0 sem myndaðist snemma í alheiminum um 290 milljón árum eftir Miklahvell.  

Byggt á háskólanum í Oregon. Snemma alheimurinn - Undir upphaf tímans. Fæst kl https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

Það eru þrjú stig alheimsins - geislunartímabil, efnistímabil og núverandi myrkuorkutímabil. Frá Miklahvell til um 50,000 ára var alheimurinn ríkjandi af geislun. Í kjölfarið fylgdi máltíðin. Vetrarbrautatímabil efnistímabilsins sem stóð frá um 200 milljón árum eftir Miklahvell til um 3 milljarða ára eftir Miklahvell einkenndist af myndun stórra mannvirkja eins og vetrarbrauta. Þetta tímabil er venjulega nefnt „snemma alheimurinn“ sem JWST rannsakar.  

„Mjög snemma alheimur“ vísar til fyrsta áfanga alheimsins fljótlega eftir Miklahvell þegar hann var mjög heitur og var algjörlega ríkjandi af geisluninni. Plank tímabil er fyrsta tímabil geislunartímabilsins sem stóð frá Miklahvell til 10.-43 s. Með hita upp á 1032 K, alheimurinn var ofboðslega heitur á þessu tímabili. Planck-tímabilinu fylgdi Quark-, Lepton- og Nuclear-tímabilið; allir voru skammlífir en einkenndust af mjög háum hita sem minnkaði smám saman eftir því sem alheimurinn stækkaði.  

Bein rannsókn á þessum fyrsta áfanga alheimsins er ekki möguleg. Það sem hægt er að gera er að endurskapa aðstæður fyrstu þriggja mínútna alheimsins eftir Miklahvell í öreindahröðlunum. Gögnin sem myndast við árekstra agna í hröðlum/árekstri bjóða upp á óbeina glugga til mjög snemma alheims.  

Colliders eru mjög mikilvæg rannsóknartæki í eðlisfræði agna. Þetta eru hringlaga eða línulegar vélar sem flýta fyrir ögnum á mjög mikinn hraða nálægt ljóshraða og leyfa þeim að rekast á aðra ögn sem kemur úr gagnstæðri átt eða á móti skotmarki. Áreksturinn skapar afar hátt hitastig í stærðargráðunni trilljónir af Kelvin (svipað og aðstæður sem voru á fyrstu tímum geislunartímans). Orku agna sem rekast á bætist við og þess vegna er árekstraorka hærri sem er umbreytt í efni í formi massamikilla agna sem voru til í alheiminum mjög snemma samkvæmt massa-orku samhverfu. Slík víxlverkun milli háorkuagna við þær aðstæður sem voru í alheiminum mjög snemma gefa gluggum inn í annars óaðgengilegan heim þess tíma og greining á aukaafurðum árekstra býður upp á leið til að skilja ríkjandi lögmál eðlisfræðinnar.  

Ef til vill er frægasta dæmið um árekstur CERN's Large Hadron Collider (LHC) þ.e. stórir árekstrar þar sem hadrón (samsettar agnir eingöngu úr kvarkum eins og róteindum og nifteindum) rekast á. Hann er stærsti og öflugasti árekstrarvél í heimi sem framkallar árekstra með orkunni 13 TeV (teraelectronvolts) sem er mesta orkan sem hröðull nær. Rannsóknir á aukaafurðum árekstranna hafa verið mjög auðgandi hingað til. Uppgötvun Higgs bósons árið 2012 með ATLAS og CMS tilraunum við Large Hadron Collider (LHC) er tímamót í vísindum.  

Umfang rannsókna á samspili agna ræðst af orku hraðalsins. Til að kanna á smærri og smærri mælikvarða þarf hraða af meiri og meiri orku. Svo, það er alltaf leit að orkumeiri hröðlum en nú er í boði fyrir fulla könnun á stöðluðu líkani agnaeðlisfræði og rannsókn á smærri mælikvarða. Þess vegna eru nokkrir nýir orkuhærri hraðlar nú í pípunum.  

CERN's High-luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC), sem líklegt er að verði tekinn í notkun árið 2029, er hannaður til að auka frammistöðu LHC með því að fjölga árekstrum til að leyfa rannsókn á þekktum aðferðum í meiri smáatriðum. Á hinn bóginn, Future Circular Collider (FCC) er mjög metnaðarfullt verkefni CERN fyrir meiri afkastagetu agnaáreksturs sem yrði um 100 km að ummáli 200 metra undir jörðu og myndi fylgja í kjölfar Large Hadron Collider (LHC). Líklegt er að smíði þess hefjist um 2030 og yrði innleidd í tveimur áföngum: FCC-ee (nákvæmnimælingar) verða teknar í notkun um miðjan 2040 á meðan FCC-hh (háorka) tekur til starfa um 2070. FCC ætti að kanna tilvist nýrra, þyngri agna, utan seilingar LHC og tilvist léttari agna sem hafa mjög veik samskipti við venjulegt líkan agnir.  

Þannig er einn hópur agna sem rekast á í árekstri hadrón eins og róteindir og kjarna sem eru samsettar agnir úr kvarkum. Þetta eru þungar og gera vísindamönnum kleift að ná háum orku eins og í tilviki LHC. Annar hópur er af leptónum eins og rafeindum og positrónum. Þessar agnir geta einnig rekast eins og í tilviki Large Electron-Positron Collider (LEPC) og SuperKEKB collider. Eitt helsta vandamálið með rafeinda-pósitrónu byggt lepton collider er mikið orkutap vegna synchrotron geislunar þegar agnir eru þvingaðar á hringbraut sem hægt er að sigrast á með því að nota múon. Eins og rafeindir eru múon frumefni en eru 200 sinnum þyngri en rafeindir og þess vegna mun minna orkutap vegna synchrotron geislunar.  

Ólíkt hadron colliders, múon collider getur keyrt með minni orku sem gerir 10 TeV muon collider á pari við 100 TeV hadron collider. Þess vegna geta múonárekstur orðið mikilvægari eftir High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) fyrir háorkueðlisfræðitilraunir gagnvart FCC-ee, eða SMELLIÐ (Compact Linear Collider) eða ILC (International Linear Collider). Miðað við langvarandi tímalínur af orkumiklum framtíðarárekstri gætu múonárekstur verið aðeins hugsanlegt rannsóknartæki í eðlisfræði agna næstu þrjá áratugina. Múonar geta verið gagnlegar fyrir ofurnákvæmar mælingar á afbrigðilegu segulmagni (g-2) og rafmagns tvípóla augnabliki (EDM) í átt að könnun umfram staðlaða líkanið. Múon tæknin hefur einnig notkun á nokkrum þverfaglegum rannsóknarsviðum.  

Hins vegar eru tæknilegar áskoranir við að átta sig á múonárekstri. Ólíkt hadrónum og rafeindum sem rotna ekki, hafa múon stuttan líftíma sem er aðeins 2.2 míkrósekúndur áður en það rotnar í rafeind og nitrinó. En líftími muon eykst með orku sem gefur til kynna að hægt sé að fresta rotnun þess ef það er flýtt hratt. En hröðun múona er tæknilega erfitt vegna þess að þeir hafa ekki sömu stefnu eða hraða.  

Nýlega hefur vísindamönnum við Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) tekist að sigrast á múon tækni áskorunum. Þeim tókst í fyrsta skipti í heiminum að flýta jákvæðu múoni í um það bil 4% af ljóshraða. Þetta var fyrsta sýningin á kælingu og hröðun jákvæðs múons eftir margra ára stöðuga þróun kæli- og hröðunartækni.  

Róeindahraðallinn hjá J-PARC framleiðir um það bil 100 milljónir múna á sekúndu. Þetta er gert með því að hraða róteindum nálægt ljóshraða og leyfa því að ná grafíti til að mynda píóna. Múon myndast sem rotnunarafurð pjóna.  

Rannsóknarteymið framleiddi jákvæða múon með um 30% hraða ljóssins og skaut þeim í kísilloftgel. Múónarnir leyfðust að sameinast rafeindum í kísilloftgelinu sem leiðir til myndunar múóníums (hlutlaus, atómlík ögn eða gerviatóm sem samanstendur af jákvæðu múoni í miðjunni og rafeind í kringum jákvæða múonið). Í kjölfarið voru rafeindir fjarlægðar úr múoníum með geislun með leysi sem gaf jákvæða múon kæld í um 0.002% af ljóshraða. Eftir það var kældu jákvæðu múónunum hraðað með því að nota útvarpsbylgjur rafsviðs. Hröðuðu jákvæðu múonin sem þannig mynduðust voru stefnubundin vegna þess að þau byrjuðu frá nálægt núlli og urðu mjög stefnuvirkir múongeislar sem voru smám saman hraðaðir og náðu um það bil 4% af ljóshraða. Þetta er áfangi í múon hröðunartækni.  

Rannsóknarteymið ætlar að lokum að flýta jákvæðum múónum upp í 94% af ljóshraða. 

*** 

Tilvísanir:  

  1. Háskólinn í Oregon. Snemma alheimurinn - Undir upphaf Tim. Fæst kl https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 
  1. CERN. Hröðun vísindum - Muon árekstur. Fáanlegt á https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 
  1. J-PARC. Fréttatilkynning - Fyrsta kæling og hröðun múon í heiminum. Sent 23. maí 2024. Fæst á https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  
  1. Aritome S., o.fl., 2024. Hröðun jákvæðra múóna með útvarpsbylgjum. Forprentun á arXiv. Lagt fram 15. október 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Tengdar greinar  

Grundvallaragnir Fljótlegt yfirlit. Skammtaaflækjur milli „Top Quarks“ við hæstu orku sem sést  (22 september 2024).  

*** 

Umesh Prasad
Umesh Prasad
Vísindablaðamaður | Stofnandi ritstjóri Scientific European tímarits

Gerast áskrifandi að fréttabréfinu okkar

Til að uppfæra með öllum nýjustu fréttum, tilboðum og sérstökum tilkynningum.

Vinsælast Greinar

Neuralink: Næsta kynslóð taugaviðmóts sem gæti breytt mannslífum

Neuralink er ígræðanlegt tæki sem hefur sýnt verulega...

Nákvæmasta gildi gravitational Constant 'G' til dagsetningar

Eðlisfræðingar hafa náð fyrsta nákvæmasta og nákvæmasta...
- Advertisement -
92,785Fanseins
47,291FylgjendurFylgdu
1,772FylgjendurFylgdu
30ÁskrifendurGerast áskrifandi