Ускорители частиц используются в качестве исследовательских инструментов для изучения очень ранней Вселенной. Адронные коллайдеры (особенно Большой адронный коллайдер LHC ЦЕРНа) и электрон-позитронные коллайдеры находятся на переднем крае исследования очень ранней Вселенной. Эксперименты ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) были успешными в открытии бозона Хиггса в 2012 году. Мюонный коллайдер может быть весьма полезен в таких исследованиях, однако пока это не реальность. Исследователям удалось ускорить положительный мюон примерно до 4% скорости света. Это первое в мире охлаждение и ускорение мюона. Как демонстрация доказательства концепции, это прокладывает путь к реализации первого мюонного ускорителя в ближайшем будущем.
Ранняя вселенная в настоящее время изучается космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST). JWST, предназначенный исключительно для изучения ранней вселенной, делает это, собирая оптические/инфракрасные сигналы от ранних звезд и галактик, образовавшихся во Вселенной после Большого взрыва. Недавно JWST успешно обнаружил самую далекую галактику JADES-GS-z14-0, образовавшуюся в ранней вселенной примерно через 290 миллионов лет после Большого взрыва.
Существует три фазы вселенной — эра излучения, эра материи и текущая эра темной энергии. От Большого взрыва и примерно до 50,000 200 лет во вселенной доминировало излучение. Затем наступила эра материи. Галактическая эпоха эры материи, которая длилась примерно от 3 миллионов лет после Большого взрыва до примерно XNUMX миллиардов лет после Большого взрыва, характеризовалась образованием крупных структур, таких как галактики. Эту эпоху обычно называют «ранней вселенной», которую изучает JWST.
«Очень ранняя вселенная» относится к самой ранней фазе вселенной вскоре после Большого взрыва, когда она была чрезвычайно горячей и полностью находилась под влиянием излучения. Эпоха Планка — первая эпоха эры излучения, которая длилась от Большого взрыва до 10-43 с. При температуре 1032 K, в эту эпоху Вселенная была сверхгорячей. За эпохой Планка последовали Кварковая, Лептонная и Ядерная эпохи; все они были кратковременными, но характеризовались чрезвычайно высокими температурами, которые постепенно снижались по мере расширения Вселенной.
Прямое изучение этой самой ранней фазы Вселенной невозможно. Что можно сделать, так это воссоздать условия первых трех минут Вселенной после Большого взрыва в ускорителях частиц. Данные, полученные в результате столкновений частиц в ускорителях/коллайдерах, открывают косвенное окно в очень раннюю Вселенную.
Коллайдеры являются очень важными исследовательскими инструментами в физике элементарных частиц. Это круговые или линейные машины, которые разгоняют частицы до очень высоких скоростей, близких к скорости света, и позволяют им сталкиваться с другой частицей, движущейся с противоположного направления, или с целью. Столкновения создают чрезвычайно высокие температуры порядка триллионов Кельвинов (аналогично условиям, существовавшим в самые ранние эпохи радиационной эры). Энергии сталкивающихся частиц складываются, поэтому энергия столкновения выше, которая преобразуется в материю в форме массивных частиц, существовавших в очень ранней Вселенной в соответствии с симметрией массы и энергии. Такие взаимодействия между частицами высокой энергии в условиях, существовавших в очень ранней Вселенной, открывают окна в иным образом недоступный мир того времени, а анализ побочных продуктов столкновений предлагает способ понять управляющие законы физики.
Возможно, самым известным примером коллайдеров является Большой адронный коллайдер (БАК) ЦЕРНа, а именно, коллайдеры большого размера, в которых сталкиваются адроны (составные частицы, состоящие только из кварков, такие как протоны и нейтроны). Это самый большой и мощный коллайдер в мире, который генерирует столкновения при энергии 13 ТэВ (тераэлектронвольт), что является самой высокой энергией, достигаемой ускорителем. Изучение побочных продуктов столкновений было очень обогащающим до сих пор. Открытие бозона Хиггса в 2012 году экспериментами ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) является важной вехой в науке.
Масштаб изучения взаимодействия частиц определяется энергией ускорителя. Для исследования в меньших и меньших масштабах требуются ускорители все более высокой энергии. Таким образом, всегда существует поиск ускорителей с более высокой энергией, чем те, которые доступны в настоящее время, для полного исследования стандартной модели физики частиц и исследования в меньших масштабах. Поэтому в настоящее время в разработке находится несколько новых ускорителей с более высокой энергией.
Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL – LHC) ЦЕРНа, который, вероятно, будет введен в эксплуатацию к 2029 году, предназначен для повышения производительности LHC за счет увеличения количества столкновений, чтобы можно было более подробно изучать известные механизмы. С другой стороны, Будущий круговой коллайдер (FCC) является весьма амбициозным проектом ЦЕРНа по созданию коллайдеров частиц с более высокой производительностью, который будет иметь окружность около 100 км на расстоянии 200 метров под землей и станет продолжением Большого адронного коллайдера (LHC). Его строительство, вероятно, начнется в 2030-х годах и будет реализовано в два этапа: FCC-ee (точные измерения) будет введен в эксплуатацию к середине 2040-х годов, а FCC-hh (высокие энергии) начнет работу в 2070-х годах. FCC должен исследовать существование новых, более тяжелых частиц, находящихся за пределами досягаемости LHC, и существование более легких частиц, которые очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели.
Таким образом, одна группа частиц, которые сталкиваются в коллайдере, — это адроны, такие как протоны и ядра, которые являются составными частицами, состоящими из кварков. Они тяжелые и позволяют исследователям достигать высоких энергий, как в случае LHC. Другая группа — это лептоны, такие как электроны и позитроны. Эти частицы также могут сталкиваться, как в случае Большого электрон-позитронного коллайдера (LEPC) и коллайдера SuperKEKB. Одной из основных проблем с лептонным коллайдером на основе электронов и позитронов является большая потеря энергии из-за синхротронного излучения, когда частицы вынуждены находиться на круговой орбите, которую можно преодолеть с помощью мюонов. Как и электроны, мюоны являются элементарными частицами, но они в 200 раз тяжелее электронов, поэтому потери энергии из-за синхротронного излучения гораздо меньше.
В отличие от адронных коллайдеров, мюонный коллайдер может работать, используя меньше энергии, что делает мюонный коллайдер на 10 ТэВ наравне с адронным коллайдером на 100 ТэВ. Поэтому мюонные коллайдеры могут стать более актуальными после High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) для экспериментов по физике высоких энергий по сравнению с FCC-ee, или CLIC (Компактный линейный коллайдер) или ILC (Международный линейный коллайдер). Учитывая затянутые сроки создания будущих коллайдеров высоких энергий, мюонные коллайдеры могут стать единственным потенциальным инструментом исследований в области физики элементарных частиц на ближайшие три десятилетия. Мюоны могут быть полезны для сверхточного измерения аномального магнитного момента (g-2) и электрического дипольного момента (EDM) в исследованиях за пределами стандартной модели. Мюонная технология также имеет применение в нескольких междисциплинарных областях исследований.
Однако существуют технические проблемы в реализации мюонных коллайдеров. В отличие от адронов и электронов, которые не распадаются, мюоны имеют короткое время жизни, всего 2.2 микросекунды, прежде чем распадаются на электрон и нейтрино. Но время жизни мюона увеличивается с энергией, что означает, что его распад может быть отложен, если его быстро ускорить. Но ускорение мюонов технически сложно, поскольку они не имеют одинакового направления или скорости.
Недавно исследователи из Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) преуспели в преодолении трудностей мюонной технологии. Им удалось впервые в мире ускорить положительный мюон примерно до 4% скорости света. Это была первая демонстрация охлаждения и ускорения положительного мюона после многих лет непрерывной разработки технологий охлаждения и ускорения.
Протонный ускоритель в J-PARC производит около 100 миллионов мюонов в секунду. Это делается путем ускорения протонов до скорости, близкой к скорости света, и попадания их в графит для образования пионов. Мюоны образуются как продукт распада пионов.
Исследовательская группа создала положительные мюоны, имеющие скорость около 30% скорости света, и выстрелила ими в кремниевый аэрогель. Это позволило мюонам объединиться с электронами в кремниевом аэрогеле, что привело к образованию мюония (нейтральной, атомоподобной частицы или псевдоатома, состоящего из положительного мюона в центре и электрона вокруг положительного мюона). Впоследствии электроны были оторваны от мюония посредством облучения лазером, что дало положительные мюоны, охлажденные примерно до 0.002% скорости света. После этого охлажденные положительные мюоны были ускорены с помощью радиочастотного электрического поля. Ускоренные таким образом положительные мюоны были направленными, потому что они начинали с почти нуля, становясь высоконаправленным мюонным пучком, постепенно ускоряясь до примерно 4% скорости света. Это является важной вехой в технологии ускорения мюонов.
Исследовательская группа планирует в конечном итоге разогнать положительные мюоны до 94% скорости света.
Ссылки:
- Университет Орегона. Ранняя Вселенная – к началу Тима. Доступно на https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- ЦЕРН. Ускорение науки – Мюонный коллайдер. Доступно по адресу https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Пресс-релиз – Первое в мире охлаждение и ускорение мюона. Опубликовано 23 мая 2024 г. Доступно на https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Ускорение положительных мюонов радиочастотным резонатором. Препринт в arXiv. Представлено 15 октября 2024 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
Статьи по теме
Фундаментальные частицы. Краткий обзор. Квантовая запутанность между «топ-кварками» при самых высоких наблюдаемых энергиях (22 сентябрь 2024).
