Паскаральнікі часціц выкарыстоўваюцца ў якасці даследчых інструментаў для вывучэння вельмі ранняга Сусвету. Адронныя калайдэры (у прыватнасці Вялікі адронны калайдэр LHC CERN) і электрон-пазітронныя калайдары займаюць лідзіруючае месца ў даследаванні вельмі ранняга Сусвету. Эксперыменты ATLAS і CMS на Вялікім адронным калайдэры (LHC) былі паспяховымі ў адкрыцці базона Хігса ў 2012 годзе. Мюонны калайдар можа прынесці значную карысць у такіх даследаваннях, аднак гэта яшчэ не рэальнасць. Даследчыкам удалося паскорыць станоўчы мюон прыблізна да 4% хуткасці святла. Гэта першае ў свеце астуджэнне і паскарэнне мюонаў. У якасці пацверджання канцэпцыі гэта адкрывае шлях да рэалізацыі першага мюоннага паскаральніка ў бліжэйшай будучыні.
Ранні Сусвет зараз вывучаецца касмічным тэлескопам Джэймса Уэба (JWST). Прысвечаная выключна вывучэнню ранняга Сусвету, JWST робіць гэта, збіраючы аптычныя/інфрачырвоныя сігналы ад ранніх зорак і галактык, якія ўтварыліся ў Сусвеце пасля Вялікага выбуху. Нядаўна JWST паспяхова выявіў самую далёкую галактыку JADES-GS-z14-0, якая ўтварылася ў раннім Сусвеце прыкладна праз 290 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху.
Ёсць тры фазы Сусвету - эра выпраменьвання, эра матэрыі і сучасная эра цёмнай энергіі. Ад Вялікага выбуху прыкладна да 50,000 200 гадоў у Сусвеце дамінавала радыяцыя. За гэтым рушыла ўслед эпоха матэрыі. Галактычная эпоха эры матэрыі, якая доўжылася прыкладна ад 3 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху да прыкладна XNUMX мільярдаў гадоў пасля Вялікага выбуху, характарызавалася ўтварэннем буйных структур, такіх як галактыкі. Гэтую эпоху звычайна называюць «раннім Сусветам», які вывучае JWST.
«Вельмі ранні Сусвет» адносіцца да самай ранняй фазы Сусвету неўзабаве пасля Вялікага выбуху, калі было вельмі горача і цалкам пераважала радыяцыя. Эпоха Планка - першая эпоха радыяцыйнай эры, якая доўжылася ад Вялікага выбуху да 1043- с. Пры тэмпературы 1032 Да, у гэтую эпоху Сусвет быў звышгарачым. За эпохай Планка рушылі ўслед кваркавая, лептанаўская і ядзерная эпохі; усе яны былі кароткачасовымі, але характарызаваліся надзвычай высокімі тэмпературамі, якія паступова зніжаліся па меры пашырэння Сусвету.
Прамое вывучэнне гэтай самай ранняй фазы Сусвету немагчыма. Што можна зрабіць, так гэта ўзнавіць умовы першых трох хвілін існавання Сусвету пасля Вялікага выбуху ў паскаральніках часціц. Дадзеныя, атрыманыя ў выніку сутыкненняў часціц у паскаральніках/калайдэрах, адкрываюць ускоснае акно ў вельмі ранні Сусвет.
Калайдары - вельмі важныя даследчыя інструменты ў фізіцы часціц. Гэта кругавыя або лінейныя машыны, якія паскараюць часціцы да вельмі высокіх хуткасцей, блізкіх да хуткасці святла, і дазваляюць ім сутыкацца з іншай часціцай, якая ідзе з процілеглага кірунку, або з мэтай. Сутыкненні ствараюць надзвычай высокія тэмпературы парадку трыльёнаў Кельвінаў (падобна ўмовам, якія існавалі ў самых ранніх эпохах радыяцыйнай эры). Энергія часціц, якія сутыкаюцца, дадаецца, такім чынам, энергія сутыкнення вышэй, якая ператвараецца ў матэрыю ў выглядзе масіўных часціц, якія існавалі ў самым раннім Сусвеце ў адпаведнасці з сіметрыяй маса-энергія. Такія ўзаемадзеянні паміж часціцамі высокай энергіі ва ўмовах, якія існавалі ў вельмі раннім Сусвеце, адкрываюць вокны ў недаступны свет таго часу, а аналіз пабочных прадуктаў сутыкненняў прапануе спосаб зразумець кіруючыя законы фізікі.
Мабыць, самым вядомым прыкладам калайдараў з'яўляецца Вялікі адронны калайдэр (LHC) CERN, гэта значыць вялікія калайдары, у якіх адроны (кампазітныя часціцы, якія складаюцца толькі з кваркаў, такія як пратоны і нейтроны), сутыкаюцца. Гэта самы вялікі і самы магутны калайдэр у свеце, які генеруе сутыкненні з энергіяй 13 ТэВ (тэраэлектронвольт), што з'яўляецца самай высокай энергіяй, якую дасягае паскаральнік. Даследаванне пабочных прадуктаў сутыкненняў дагэтуль было вельмі карысным. Адкрыццё базона Хігса ў 2012 годзе ў выніку эксперыментаў ATLAS і CMS на Вялікім адронным калайдэры (LHC) з'яўляецца важнай вяхой у навуцы.
Маштаб вывучэння ўзаемадзеяння часціц вызначаецца энергіяй паскаральніка. Для даследаванняў ва ўсё меншых і меншых маштабах патрабуюцца паскаральнікі ўсё большай і большай энергіі. Такім чынам, для поўнага вывучэння стандартнай мадэлі фізікі элементарных часціц і даследаванняў у меншых маштабах заўсёды існуе пошук паскаральнікаў з больш высокай энергіяй, чым даступны ў цяперашні час. Такім чынам, у цяперашні час у стадыі распрацоўкі некалькі новых паскаральнікаў з большай энергіяй.
Вялікі адронны калайдэр высокай свяцільнасці (HL – LHC) CERN, які, верагодна, запрацуе да 2029 г., прызначаны для павышэння прадукцыйнасці LHC за кошт павелічэння колькасці сутыкненняў, каб больш дэталёва вывучаць вядомыя механізмы. З іншага боку, Будучы кругавы калайдэр (FCC) - гэта вельмі амбіцыйны праект CERN з больш прадукцыйнымі калайдэрамі часціц, які меў бы каля 100 км у акружнасці на глыбіні 200 метраў пад зямлёй і быў бы працягам Вялікага адроннага калайдэра (LHC). Яго будаўніцтва, верагодна, пачнецца ў 2030-х гадах і будзе рэалізавана ў два этапы: FCC-ee (дакладныя вымярэнні) пачне працаваць да сярэдзіны 2040-х гадоў, а FCC-hh (высокая энергія) пачне працаваць у 2070-х. FCC павінна вывучыць існаванне новых, больш цяжкіх часціц, па-за дасяжнасцю LHC, і існаванне больш лёгкіх часціц, якія вельмі слаба ўзаемадзейнічаюць з часціцамі стандартнай мадэлі.
Такім чынам, адной групай часціц, якія сутыкаюцца ў калайдары, з'яўляюцца адроны, такія як пратоны і ядра, якія складаюцца з кваркаў. Яны цяжкія і дазваляюць даследчыкам дасягаць высокіх энергій, як у выпадку з LHC. Іншая група складаецца з лептонаў, такіх як электроны і пазітроны. Гэтыя часціцы таксама могуць сутыкацца, як у выпадку з Вялікім электрон-пазітронным калайдэрам (LEPC) і SuperKEKB. Адной з асноўных праблем з электрон-пазітронным лептонным калайдэрам з'яўляюцца вялікія страты энергіі з-за сінхратроннага выпраменьвання, калі часціцы рухаюцца па кругавой арбіце, што можна вырашыць з дапамогай мюонаў. Як і электроны, мюоны з'яўляюцца элементарнымі часціцамі, але яны ў 200 разоў цяжэйшыя за электроны, таму значна меншыя страты энергіі з-за сінхратроннага выпраменьвання.
У адрозненне ад адронных калайдэраў, мюонны калайдэр можа працаваць, выкарыстоўваючы менш энергіі, што робіць мюонны калайдэр 10 ТэВ нароўні з адронным калайдэрам 100 ТэВ. Такім чынам, мюонныя калайдары могуць стаць больш актуальнымі пасля Вялікага адроннага калайдэра высокай свяцільнасці (HL - LHC) для эксперыментаў па фізіцы высокіх энергій у параўнанні з FCC-ee, або КЛІК (Кампактны лінейны калайдэр) або КМП (Міжнародны лінейны калайдэр). Улічваючы працяглыя тэрміны стварэння высокаэнергетычных коллайдеров будучыні, мюонныя калайдэры могуць быць толькі патэнцыйным інструментам даследаванняў у галіне фізікі часціц на наступныя тры дзесяцігоддзі. Мюоны могуць быць карысныя для звышдакладных вымярэнняў анамальнага магнітнага моманту (g-2) і электрычнага дыпольнага моманту (EDM) у даследаванні за межамі стандартнай мадэлі. Мюонная тэхналогія таксама знаходзіць прымяненне ў некалькіх міждысцыплінарных галінах даследаванняў.
Аднак пры стварэнні мюонных калайдараў існуюць тэхнічныя праблемы. У адрозненне ад адронаў і электронаў, якія не распадаюцца, мюоны маюць кароткі час жыцця ўсяго 2.2 мікрасекунды, перш чым ён распадзецца на электрон і нейтрына. Але час жыцця мюона павялічваецца з павелічэннем энергіі, што азначае, што яго распад можна адкласці, калі яго хутка паскорыць. Але паскорыць мюоны тэхнічна складана, таму што яны не маюць аднолькавага кірунку або хуткасці.
Нядаўна даследчыкам з Японскага даследчага комплексу пратонных паскаральнікаў (J-PARC) удалося пераадолець праблемы мюоннай тэхналогіі. Ім удалося ўпершыню ў свеце паскорыць станоўчы мюон прыкладна да 4% хуткасці святла. Гэта была першая дэманстрацыя астуджэння і паскарэння станоўчых мюонаў пасля многіх гадоў бесперапыннага развіцця тэхналогій астуджэння і паскарэння.
Пратонны паскаральнік у J-PARC вырабляе прыкладна 100 мільёнаў мюонаў у секунду. Гэта робіцца шляхам паскарэння пратонаў амаль да хуткасці святла і дазволу ім сутыкнуцца з графітам з адукацыяй піёнаў. Мюоны ўтвараюцца як прадукт распаду піёнаў.
Даследчая група вырабіла станоўчыя мюоны, якія маюць хуткасць каля 30% ад хуткасці святла, і запусціла іх у крэмніевы аэрагель. Дазваляе мюонам злучацца з электронамі ў крэмневым аэрагелі, у выніку чаго ўтвараецца мюоній (нейтральная атамападобная часціца або псеўдаатам, які складаецца з станоўчага мюона ў цэнтры і электрона вакол станоўчага мюона). У далейшым электроны былі адарваны ад мюонія праз апраменьванне лазерам, які даў станоўчыя мюоны, астуджаныя прыкладна да 0.002% хуткасці святла. Пасля гэтага астуджаныя станоўчыя мюоны паскараліся з дапамогай радыёчастотнага электрычнага поля. Паскораныя дадатныя мюоны, створаныя такім чынам, былі накіраванымі, таму што яны пачыналі амаль з нуля, ператвараючыся ў вельмі накіраваны мюонны пучок, калі паступова паскараліся, дасягаючы прыблізна 4% хуткасці святла. Гэта важная вяха ў тэхналогіі паскарэння мюонаў.
Даследчая група плануе ў канчатковым выніку паскорыць станоўчыя мюоны да 94% хуткасці святла.
***
Спасылкі:
- Універсітэт Арэгона. Ранні Сусвет - да пачатку Ціма. Даступны па адрасе https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- ЦЕРН. Разгон навукі – мюонны калайдэр. Даступна на https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Прэс-рэліз – Першае ў свеце астуджэнне і паскарэнне мюонаў. Апублікавана 23 мая 2024 г. Даступна па адрасе https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Паскарэнне станоўчых мюонаў радыёчастотным рэзонатарам. Прэпрынт у arXiv. Прадстаўлена 15 кастрычніка 2024 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Артыкулы па тэме
Фундаментальныя часціцы. Квантавая заблытанасць паміж «верхнімі кваркамі» пры самых высокіх назіраных энергіях (22 верасня 2024).
***
