Mga particle collider para sa pag-aaral ng "Very early universe": Ipinakita ng Muon collider

Ang mga particle accelerator ay ginagamit bilang mga tool sa pananaliksik para sa pag-aaral ng napakaagang uniberso. Ang mga Hadron collider (lalo na ang Large Hadron Collider LHC ng CERN) at electron-positron collider ay nasa unahan sa paggalugad ng napakaagang uniberso. Ang mga eksperimento ng ATLAS at CMS sa Large Hadron Collider (LHC) ay matagumpay sa pagtuklas ng Higgs boson noong 2012. Ang Muon collider ay maaaring may malaking gamit sa mga naturang pag-aaral gayunpaman hindi pa ito isang katotohanan. Ang mga mananaliksik ay nagtagumpay na ngayon sa pagpapabilis ng isang positibong muon sa humigit-kumulang 4% ng bilis ng liwanag. Ito ang unang paglamig at pagpapabilis ng muon sa mundo. Bilang demonstration ng proof-of-concept, nagbibigay ito ng daan para sa pagsasakatuparan ng unang muon accelerator sa malapit na hinaharap.  

Ang maagang uniberso ay kasalukuyang pinag-aaralan ng James Webb Space Telescope (JWST). Eksklusibong nakatuon sa pag-aaral ng maagang uniberso, ginagawa ito ng JWST sa pamamagitan ng pagkuha ng mga optical/infrared signal mula sa mga unang bituin at kalawakan na nabuo sa Uniberso pagkatapos ng Big Bang. Kamakailan, matagumpay na natuklasan ng JWST ang pinakamalayong kalawakan na JADES-GS-z14-0 na nabuo sa unang bahagi ng uniberso mga 290 milyong taon pagkatapos ng Big Bang.  

May tatlong yugto ng sansinukob - panahon ng radiation, panahon ng bagay at ang kasalukuyang panahon ng madilim na enerhiya. Mula sa Big Bang hanggang sa humigit-kumulang 50,000 taon, ang uniberso ay pinangungunahan ng radiation. Sinundan ito ng panahon ng usapin. Ang galactic epoch ng panahon ng bagay na tumagal mula sa humigit-kumulang 200 milyong taon pagkatapos ng Big Bang hanggang sa humigit-kumulang 3 bilyong taon pagkatapos ng Big Bang ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagbuo ng malalaking istruktura tulad ng mga kalawakan. Ang panahong ito ay karaniwang tinutukoy bilang "maagang uniberso" na pinag-aaralan ng JWST.  

Ang "Very early universe" ay tumutukoy sa pinakamaagang yugto ng uniberso sa lalong madaling panahon pagkatapos ng Big Bang noong ito ay sobrang init at ganap na pinangungunahan ng radiation. Ang Plank epoch ay ang unang epoch ng radiation era na tumagal mula sa Big Bang hanggang 10^-43 s. Sa temperatura na 10³² K, ang uniberso ay sobrang init sa panahong ito. Ang panahon ng Planck ay sinundan ng Quark, Lepton, at Nuclear epoch; lahat ay maikli ang buhay ngunit nailalarawan sa pamamagitan ng napakataas na temperatura na unti-unting bumababa habang lumalawak ang uniberso.  

Ang direktang pag-aaral ng pinakamaagang yugtong ito ng uniberso ay hindi posible. Ang maaaring gawin ay muling likhain ang mga kondisyon ng unang tatlong minuto ng uniberso pagkatapos ng Big Bang sa mga particle accelerators. Ang data na nabuo ng mga banggaan ng mga particle sa mga accelerators/collider ay nag-aalok ng hindi direktang window sa napakaagang uniberso.  

Ang mga collider ay napakahalagang kasangkapan sa pananaliksik sa pisika ng particle. Ito ay mga pabilog o linear na makina na nagpapabilis ng mga particle sa napakataas na bilis na malapit sa bilis ng liwanag at nagbibigay-daan sa mga ito na bumangga laban sa isa pang particle na nagmumula sa tapat na direksyon o laban sa isang target. Ang mga banggaan ay bumubuo ng napakataas na temperatura sa pagkakasunud-sunod ng trilyon ng Kelvin (katulad ng mga kondisyon na naroroon sa pinakamaagang panahon ng panahon ng radiation). Ang mga energies ng nagbabanggaan na mga particle ay idinagdag kaya ang collision energy ay mas mataas na kung saan ay transformed sa matter sa anyo ng napakalaking particle na umiral sa napaka maagang uniberso ayon sa mass-energy symmetry. Ang ganitong mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga particle ng mataas na enerhiya sa mga kondisyon na umiral sa napakaagang uniberso ay nagbibigay ng mga bintana sa kung hindi man hindi naa-access na mundo ng panahong iyon at ang pagsusuri ng mga byproduct ng banggaan ay nag-aalok ng isang paraan upang maunawaan ang mga namamahala na batas ng pisika.  

Marahil, ang pinakatanyag na halimbawa ng mga collider ay ang Large Hadron Collider (LHC) ng CERN viz., mga malalaking sukat na collider kung saan ang mga hadron (composite particle na gawa sa quark lamang tulad ng mga proton at neutron) ay nagbanggaan. Ito ang pinakamalaki at pinakamalakas na collider sa mundo na bumubuo ng mga banggaan sa enerhiya na 13 TeV (teraelectronvolts) na siyang pinakamataas na enerhiya na naabot ng isang accelerator. Ang pag-aaral ng mga byproduct ng mga banggaan ay napakayaman sa ngayon. Ang pagtuklas ng Higgs boson noong 2012 ng ATLAS at CMS na mga eksperimento sa Large Hadron Collider (LHC) ay isang milestone sa agham.  

Ang sukat ng pag-aaral ng pakikipag-ugnayan ng butil ay tinutukoy ng enerhiya ng accelerator. Para sa paggalugad sa mas maliit at mas maliliit na kaliskis, ang isa ay nangangailangan ng mga accelerator ng mas mataas at mas mataas na enerhiya. Kaya, palaging may paghahanap para sa mas mataas na enerhiya na mga accelerator kaysa sa kasalukuyang magagamit para sa buong paggalugad ng karaniwang modelo ng pisika ng particle at pagsisiyasat sa mas maliliit na antas. Samakatuwid, ang ilang mga bagong mas mataas na enerhiya accelerators ay kasalukuyang nasa pipeline.  

Ang High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) ng CERN, na malamang na gumana sa 2029, ay idinisenyo upang dagdagan ang pagganap ng LHC sa pamamagitan ng pagtaas ng bilang ng mga banggaan upang bigyang-daan ang pag-aaral ng mga kilalang mekanismo nang mas detalyado. Sa kabilang banda, ang Future Circular Collider (FCC) ay ang mataas na ambisyoso na mas mataas na pagganap ng particle collider project ng CERN na magiging humigit-kumulang 100 km sa circumference 200 metro sa ibaba ng lupa at susundan mula sa Large Hadron Collider (LHC). Ang pagtatayo nito ay malamang na magsisimula sa 2030s at ipapatupad sa dalawang yugto: Ang FCC-ee (mga sukat ng katumpakan) ay magiging operational sa kalagitnaan ng 2040s habang ang FCC-hh (high energy) ay magsisimulang gumana sa 2070s. Dapat tuklasin ng FCC ang pagkakaroon ng bago, mas mabibigat na particle, na hindi naaabot ng LHC at pagkakaroon ng mas magaan na particle na napakahinang nakikipag-ugnayan sa mga particle ng Standard Model.  

Kaya, ang isang grupo ng mga particle na bumabangga sa isang collider ay ang mga hadron tulad ng mga proton at nuclei na mga composite particle na gawa sa quark. Ang mga ito ay mabigat at nagpapahintulot sa mga mananaliksik na maabot ang mataas na enerhiya tulad ng sa kaso ng LHC. Ang ibang pangkat ay ng mga lepton tulad ng mga electron at positron. Ang mga particle na ito ay maaari ding magbanggaan tulad ng sa kaso ng Large Electron-Positron Collider (LEPC) at SuperKEKB collider. Ang isang pangunahing isyu sa electron-positron based lepton collider ay malaking pagkawala ng enerhiya dahil sa synchrotron radiation kapag ang mga particle ay pinilit sa pabilog na orbit na maaaring malampasan sa pamamagitan ng paggamit ng mga muon. Tulad ng mga electron, ang muon ay elementary particle ngunit 200 beses na mas mabigat kaysa sa mga electron kaya mas mababa ang pagkawala ng enerhiya dahil sa synchrotron radiation.  

Hindi tulad ng mga hadron collider, ang isang muon collider ay maaaring tumakbo gamit ang mas kaunting enerhiya na gumagawa ng isang 10 TeV muon collider na katumbas ng isang 100 TeV hadron collider. Samakatuwid, ang mga muon collider ay maaaring maging mas may kaugnayan pagkatapos ng High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) para sa mga eksperimento sa high energy physics vis-a-vis FCC-ee, o CLIC (Compact Linear Collider) o ILC (International Linear Collider). Dahil sa matagal na mga timeline ng mga high energy collider sa hinaharap, ang mga muon collider ay maaari lamang maging potensyal na tool sa pananaliksik sa particle physics para sa susunod na tatlong dekada. Maaaring maging kapaki-pakinabang ang mga muon para sa ultra-tumpak na pagsukat ng maanomalyang magnetic moment (g-2) at electric dipole moment (EDM) patungo sa paggalugad na lampas sa karaniwang modelo. Ang teknolohiyang muon ay may mga aplikasyon din sa ilang interdisciplinary na lugar ng pananaliksik.  

Gayunpaman, may mga teknikal na hamon sa pagsasakatuparan ng mga muon collider. Hindi tulad ng mga hadron at electron na hindi nabubulok, ang mga muon ay may maikling buhay na 2.2 microseconds lamang bago ito nabubulok sa isang electron at neutrino. Ngunit ang buhay ng muon ay tumaas na may enerhiya na nagpapahiwatig ng pagkabulok nito ay maaaring ipagpaliban kung mabilis na mapabilis. Ngunit ang pagpapabilis ng mga muon ay teknikal na mahirap dahil wala silang parehong direksyon o bilis.  

Kamakailan, ang mga mananaliksik sa Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ay nagtagumpay sa pagtagumpayan ng mga hamon sa teknolohiya ng muon. Nagtagumpay sila sa pagpapabilis ng positibong muon sa humigit-kumulang 4% ng bilis ng liwanag sa unang pagkakataon sa mundo. Ito ang unang pagpapakita ng paglamig at pagpapabilis ng positibong muon pagkatapos ng mga taon ng patuloy na pag-unlad ng mga teknolohiya sa pagpapalamig at pagpapabilis.  

Ang proton accelerator sa J-PARC ay gumagawa ng humigit-kumulang 100 milyong muon bawat segundo. Ginagawa ito sa pamamagitan ng pagpapabilis ng mga proton sa malapit sa bilis ng liwanag at pinapayagan itong tumama sa grapayt upang bumuo ng mga pion. Ang mga muon ay nabuo bilang produkto ng pagkabulok ng mga pion.  

Ang pangkat ng pananaliksik ay gumawa ng mga positibong muon na may bilis na humigit-kumulang 30% sa bilis ng liwanag at kinunan ang mga ito sa silica aerogel. Ang mga pinapayagang muon na magsama sa mga electron sa silica airgel na nagreresulta sa pagbuo ng muonium (isang neutral, tulad ng atom na particle o pseudo atom na binubuo ng isang positibong muon sa gitna at isang electron sa paligid ng positibong muon). Kasunod nito, ang mga electron ay tinanggal mula sa muonium sa pamamagitan ng pag-iilaw ng laser na nagbigay ng mga positibong muon na pinalamig sa humigit-kumulang 0.002% ng bilis ng liwanag. Pagkatapos nito, ang pinalamig na positibong muon ay pinabilis gamit ang radio-frequency electric field. Ang mga pinabilis na positibong muon na nilikha ay direksyon dahil nagsimula sila mula sa malapit sa zero na naging mataas na direksyon ng muon beam habang unti-unting pinabilis na umabot sa humigit-kumulang 4% ng bilis ng liwanag. Isa itong milestone sa muon acceleration technology.  

Ang pangkat ng pananaliksik ay nagpaplano na sa kalaunan ay mapabilis ang mga positibong muon sa 94% ng bilis ng liwanag. 

*** 

Sanggunian:  

1. Unibersidad ng Oregon. Ang Maagang Uniberso - Patungo sa Simula ni Tim. Available sa https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Nagpapabilis ng agham - Muon collider. Available sa https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Press release – Ang unang paglamig at pagpapabilis ng muon sa mundo. Nai-post noong Mayo 23, 2024. Magagamit sa https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Pagpapabilis ng mga positibong muon sa pamamagitan ng isang radio-frequency na lukab. Preprint sa arXiv. Naisumite noong 15 Oktubre 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Mga kaugnay na artikulo  

Mga pangunahing particle Isang mabilis na pagtingin. Quantum Entanglement sa pagitan ng "Top Quarks" sa Pinakamataas na Energies na Naobserbahan  (22 Setyembre 2024).  

***