"Өтө алгачкы ааламды" изилдөө үчүн бөлүкчөлөрдүн коллайдерлери: Муон коллайдери көрсөтүлдү

Бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери өтө алгачкы ааламды изилдөө үчүн изилдөө куралдары катары колдонулат. Адрон коллайдерлери (айрыкча CERNдин чоң адрон коллайдери LHC) жана электрон-позитрон коллайдерлери өтө алгачкы ааламды изилдөөдө алдыңкы орунда турушат. Чоң Адрон Коллайдеринде (LHC) ATLAS жана CMS эксперименттери 2012-жылы Хиггс бозонун ачууда ийгиликтүү болгон. Муон коллайдери мындай изилдөөлөрдө кыйла колдонулушу мүмкүн, бирок ал азырынча реалдуу эмес. Окумуштуулар оң муонду жарыктын ылдамдыгынын болжол менен 4% тездетүүгө жетишти. Бул дүйнөдөгү биринчи муздатуу жана муондун ылдамдашы. Концепциянын далили катары бул жакынкы келечекте биринчи муондук тездеткичти ишке ашырууга жол ачат.  

Алгачкы аалам учурда Джеймс Уэбб космостук телескобу (JWST) тарабынан изилденүүдө. Алгачкы ааламды изилдөөгө гана арналган JWST муну Биг Бенгден кийин Ааламда пайда болгон алгачкы жылдыздардан жана галактикалардан оптикалык/инфракызыл сигналдарды алуу менен жасайт. Жакында JWST Биг Бенгден болжол менен 14 миллион жыл өткөндөн кийин алгачкы ааламда пайда болгон эң алыскы JADES-GS-z0-290 галактикасын ийгиликтүү ачты.  

Ааламдын үч фазасы бар - радиация доору, материя доору жана азыркы кара энергия доору. Чоң жарылуудан 50,000 200 жылга чейин ааламда радиация үстөмдүк кылган. Андан кийин маселе доору келди. Чоң жарылуудан кийин болжол менен 3 миллион жылдан Биг Бенгден кийин болжол менен XNUMX миллиард жылга чейин созулган зат доорунун галактикалык доору галактикалар сыяктуу чоң түзүлүштөрдүн пайда болушу менен мүнөздөлгөн. Бул доор, адатта, JWST изилдеген "алгачкы аалам" деп аталат.  

"Өтө алгачкы аалам" Биг Бенгден кийинки ааламдын эң алгачкы фазасын билдирет, ал өтө ысык болгон жана радиация толугу менен үстөмдүк кылган. Планк доору - Чоң жарылуудан 10-жылга чейин созулган радиациялык доордун биринчи доору.^-43 с. 10 температура менен³² К, аалам бул доордо өтө ысык болгон. Планк доорунан кийин Кварк, Лептон жана Ядролук доорлор келди; бардыгы кыска мөөнөттүү болгон, бирок аалам кеңейген сайын акырындык менен төмөндөгөн өтө жогорку температуралар менен мүнөздөлгөн.  

Ааламдын бул эң алгачкы фазасын түз изилдөө мүмкүн эмес. Эмне кылса болот, бөлүкчөлөрдүн ылдамдаткычтарында Чоң жарылуудан кийинки ааламдын алгачкы үч мүнөтүнүн шарттарын кайра жаратуу. Ылдамдаткычтардагы/коллайдерлердеги бөлүкчөлөрдүн кагылышуусунан келип чыккан маалыматтар өтө алгачкы ааламга кыйыр терезени сунуштайт.  

Коллайдерлер бөлүкчөлөр физикасында абдан маанилүү изилдөө куралдары болуп саналат. Булар тегерек же сызыктуу машиналар, алар бөлүкчөлөрдү жарыктын ылдамдыгына жакын өтө жогорку ылдамдыкка чейин тездетип, карама-каршы багытта же бутага каршы келген башка бөлүкчө менен кагылышып кетүүгө мүмкүндүк берет. Кагылышуулар триллиондогон Келвин тартибинде өтө жогорку температураларды жаратат (радиациялык доордун эң алгачкы доорлорундагы шарттарга окшош). Кагылышуучу бөлүкчөлөрдүн энергиялары кошулат, демек, кагылышуу энергиясы көбүрөөк болот, ал масса-энергетикалык симметрия боюнча эң алгачкы ааламда болгон массивдүү бөлүкчөлөр түрүндө материяга айланат. Эң алгачкы ааламда болгон шарттарда жогорку энергиялуу бөлүкчөлөрдүн ортосундагы мындай өз ара аракеттенүү ошол убактагы башка жетүүгө мүмкүн болбогон дүйнөгө терезе берет жана кагылышуулардын кошумча продуктуларын талдоо физиканын башкаруучу мыйзамдарын түшүнүүгө мүмкүнчүлүк берет.  

Коллайдерлердин эң белгилүү мисалы CERNдин Чоң Адрон Коллайдери (LHC), башкача айтканда адрондор (протондор жана нейтрондор сыяктуу кварктардан түзүлгөн композиттик бөлүкчөлөр) кагылышкан чоң өлчөмдөгү коллайдерлер. Бул дүйнөдөгү эң чоң жана эң күчтүү коллайдер, ал 13 ТеВ (тераэлектронвольт) энергиясында кагылышууларды жаратат, бул ылдамдаткыч жеткен эң жогорку энергия. Кагылышуулардын кошумча продуктуларын изилдөө ушул убакка чейин абдан байытылган. 2012-жылы Чоң Адрон Коллайдеринде (LHC) ATLAS жана CMS эксперименттери аркылуу Хиггс бозонун ачылышы илимдеги маанилүү окуя болуп саналат.  

Бөлүкчөлөрдүн өз ара аракеттенүүсүн изилдөө масштабы тездеткичтин энергиясы менен аныкталат. Кичирээк жана кичине масштабда изилдөө үчүн жогорку жана жогорку энергиянын тездеткичтери талап кылынат. Ошентип, бөлүкчөлөр физикасынын стандарттык моделин толук изилдөө жана кичине масштабда изилдөө үчүн азыркыдан жогору энергиялуу тездеткичтерди издөө дайыма бар. Ошондуктан, бир нече жаңы жогорку энергия тездеткичтер азыр куурунда турат.  

CERNдин 2029-жылга чейин ишке кириши мүмкүн болгон Жогорку Жарыктыктагы Чоң Адрон Коллайдери (HL – LHC) белгилүү механизмдерди кеңири изилдөөгө мүмкүндүк берүү үчүн кагылышуулардын санын көбөйтүү менен LHCнин иштешин жогорулатуу үчүн иштелип чыккан. Башка жагынан алганда, Future Circular Collider (FCC) CERNдин абдан амбициялуу, жогорку натыйжалуу бөлүкчөлөрдүн коллайдерлеринин долбоору, ал болжол менен 100 км айланасында 200 метр тереңдикте жана Чоң Адрон Коллайдеринен (LHC) уланат. Анын курулушу 2030-жылдары башталып, эки этапта ишке ашат: FCC-ee (тактык өлчөө) 2040-жылдардын ортосуна чейин ишке кирет, ал эми FCC-hh (жогорку энергия) 2070-жылдары иштей баштайт. FCC LHC жетпеген жаңы, оор бөлүкчөлөрдүн бар экендигин жана Стандарттык Модель бөлүкчөлөрү менен өтө начар өз ара аракеттенген жеңилирээк бөлүкчөлөрдүн бар экендигин изилдеши керек.  

Ошентип, коллайдерде кагылышкан бөлүкчөлөрдүн бир тобу протондор жана ядролор сыяктуу адрондор, алар кварктардан түзүлгөн курама бөлүкчөлөр болуп саналат. Булар оор жана изилдөөчүлөргө LHCдегидей жогорку энергияга жетүүгө мүмкүндүк берет. Башка топко электрондор жана позитрондор сыяктуу лептондор кирет. Бул бөлүкчөлөр чоң электрон-позитрон коллайдери (LEPC) жана SuperKEKB коллайдериндегидей кагылышы мүмкүн. Электрон-позитрондун негизиндеги лептондук коллайдердеги негизги маселе - бул бөлүкчөлөр тегерек орбитада мажбурланганда синхротрондук нурлануунун натыйжасында чоң энергия жоготуусу, аны мюондорду колдонуу менен жеңүүгө болот. Электрондор сыяктуу эле мюондор элементардык бөлүкчөлөр, бирок электрондордон 200 эсе оор, ошондуктан синхротрондук нурлануунун натыйжасында энергия жоготуулары азыраак.  

Адрон коллайдерлеринен айырмаланып, мюон коллайдери азыраак энергияны колдонуп иштей алат, бул 10 TeV муондук коллайдерди 100 TeV адрон коллайдери менен бирдей кылат. Ошондуктан, мюон коллайдерлери FCC-eeге караганда жогорку энергиялуу физикалык эксперименттер үчүн Жогорку жарыктуулугу чоң адрон коллайдери (HL – LHC) үчүн актуалдуу болуп калышы мүмкүн, же CLIC (Compact Linear Collider) же ILC (Эл аралык сызыктуу коллайдер). Келечектеги жогорку энергиялуу коллайдерлердин узакка созулган графиктерин эске алганда, мюон коллайдерлери кийинки үч он жылдыкта бөлүкчөлөр физикасында потенциалдуу изилдөө куралы болушу мүмкүн. Мюондор стандарттуу моделден тышкары чалгындоо үчүн аномалдуу магниттик моментти (g-2) жана электрдик диполь моментин (EDM) өтө так өлчөө үчүн пайдалуу болушу мүмкүн. Муон технологиясы бир нече дисциплиналар аралык изилдөө тармактарында да колдонмолорго ээ.  

Бирок, муон коллайдерлерин ишке ашырууда техникалык кыйынчылыктар бар. Адрондор менен электрондордон айырмаланып, мюондор электрон менен нейтриного ажыраганга чейин 2.2 микросекунд гана кыска өмүргө ээ. Бирок мюондун өмүрү энергия менен көбөйөт, бул анын ажыроосун тез арада тездетсе кийинкиге калтырууга болот. Бирок мюондорду ылдамдатуу техникалык жактан кыйын, анткени алардын багыты же ылдамдыгы бирдей эмес.  

Жакында Япониянын протондук ылдамдатуучу изилдөө комплексинин (J-PARC) изилдөөчүлөрү муондук технологиядагы кыйынчылыктарды жеңе алышты. Алар дүйнөдө биринчи жолу оң муонду жарыктын ылдамдыгынын болжол менен 4% га чейин тездетүүгө жетишкен. Бул муздатуу жана тездетүү технологияларын көп жылдар бою үзгүлтүксүз иштеп чыгуудан кийин оң мюондун муздатуу жана тездетүү биринчи демонстрациясы болду.  

J-PARCдеги протон тездеткичи секундасына болжол менен 100 миллион мюонду чыгарат. Бул протондорду жарыктын ылдамдыгына жакын ылдамдатуу жана графитке тийип пиондорду пайда кылуу аркылуу ишке ашырылат. Мюондор пиондордун ажыроо продуктысы катары пайда болот.  

Изилдөө тобу жарыктын ылдамдыгы болжол менен 30% болгон оң ​​мюондорду өндүрүп, аларды кремнеземдүү аэрогелге түшүрүштү. Уруксат берилген мюондордун кремнеземдик аэрогелдеги электрондор менен биригип, муоний пайда болушуна алып келет (нейтралдуу, атом сымал бөлүкчө же псевдоатомдун борборунда оң муондон жана оң муондун айланасындагы электрондон турган псевдоатом). Кийинчерээк, электрондор лазер менен нурлануу аркылуу муонийден ажыратылып, жарыктын ылдамдыгынын болжол менен 0.002% муздаган оң мюондорду берди. Андан кийин муздаган оң мюондор радио жыштыктагы электр талаасынын жардамы менен ылдамдатылган. Ошентип жаратылган тездетилген оң мюондор багыттуу болгон, анткени алар нөлдөн баштап жогорку багыттагы муон нуруна айланып, акырындык менен жарыктын ылдамдыгынын болжол менен 4% га чейин ылдамдашкан. Бул муондук ылдамдатуу технологиясындагы этап болуп саналат.  

Изилдөө тобу акыры оң мюондорду жарыктын ылдамдыгынын 94% га чейин тездетүүнү пландаштырууда. 

*** 

Колдонулган адабияттар:  

1. Орегон университети. Алгачкы аалам – Тимдин башталышында. дареги боюнча жеткиликтүү https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. ЦЕРН. Ылдамдатуу илими – Муон коллайдери. дареги боюнча жеткиликтүү https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Пресс-релиз – Дүйнөдөгү биринчи муздатуу жана муондун ылдамдалышы. Жарыяланган 23 Май 2024. Жеткиликтүү даректе https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Радио жыштык көңдөйү менен оң мюондордун тездеши. arXivде алдын ала басып чыгаруу. 15-жылдын 2024-октябрында берилген. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Тектеш макалалар  

Негизги бөлүкчөлөр Тез кароо. «Жогорку кварктардын» ортосундагы кванттык чырмалыш байкалган эң жогорку энергиялардагы  (22 сентябрда 2024).  

***