ნაწილაკების ამაჩქარებლები გამოიყენება როგორც კვლევის ინსტრუმენტები ძალიან ადრეული სამყაროს შესასწავლად. ჰადრონის კოლაიდერები (განსაკუთრებით CERN-ის დიდი ადრონული კოლაიდერი LHC) და ელექტრონ-პოზიტრონის კოლაიდერები წინა პლანზე არიან ძალიან ადრეული სამყაროს შესწავლაში. ATLAS და CMS ექსპერიმენტებმა დიდ ადრონულ კოლაიდერზე (LHC) წარმატებით აღმოაჩინეს ჰიგსის ბოზონი 2012 წელს. მიონის კოლაიდერი შეიძლება მნიშვნელოვანი იყოს ასეთ კვლევებში, თუმცა ეს ჯერ არ არის რეალობა. მკვლევარებმა ახლა მიაღწიეს პოზიტიური მიონის აჩქარებას სინათლის სიჩქარის დაახლოებით 4%-მდე. ეს არის მსოფლიოში პირველი მიონის გაციება და აჩქარება. როგორც მტკიცებულება კონცეფციის დემონსტრირება, ეს ხსნის გზას პირველი მიონის ამაჩქარებლის რეალიზაციისთვის უახლოეს მომავალში.
ადრეული სამყარო ამჟამად იკვლევს ჯეიმს უების კოსმოსურ ტელესკოპს (JWST). ეძღვნება ექსკლუზიურად ადრეული სამყაროს შესწავლას, JWST ამას აკეთებს დიდი აფეთქების შემდეგ სამყაროში წარმოქმნილი ადრეული ვარსკვლავებისა და გალაქტიკებიდან ოპტიკურ/ინფრაწითელ სიგნალებს. ახლახან JWST-მა წარმატებით აღმოაჩინა ყველაზე შორეული გალაქტიკა JADES-GS-z14-0, რომელიც ჩამოყალიბდა ადრეულ სამყაროში, დიდი აფეთქებიდან დაახლოებით 290 მილიონი წლის შემდეგ.
სამყაროს სამი ფაზა არსებობს - რადიაციული ერა, მატერიის ეპოქა და მიმდინარე ბნელი ენერგიის ეპოქა. დიდი აფეთქებიდან დაახლოებით 50,000 200 წლამდე სამყაროში დომინირებდა რადიაცია. ამას მოჰყვა მატერიის ეპოქა. მატერიის ეპოქის გალაქტიკური ეპოქა, რომელიც გაგრძელდა დაახლოებით 3 მილიონი წლის შემდეგ დიდი აფეთქებიდან დაახლოებით XNUMX მილიარდი წლის შემდეგ, ხასიათდებოდა გალაქტიკების მსგავსი დიდი სტრუქტურების ფორმირებით. ამ ეპოქას ჩვეულებრივ უწოდებენ "ადრეულ სამყაროს", რომელსაც JWST სწავლობს.
„ძალიან ადრეული სამყარო“ ეხება სამყაროს ადრეულ ფაზას დიდი აფეთქების შემდეგ მალევე, როდესაც ის უკიდურესად ცხელი იყო და მთლიანად დომინირებდა რადიაციის მიერ. პლანკის ეპოქა არის რადიაციული ეპოქის პირველი ეპოქა, რომელიც გაგრძელდა დიდი აფეთქებიდან 10-მდე.-43 ს. 10 ტემპერატურით32 კ, სამყარო ამ ეპოქაში სუპერ ცხელი იყო. პლანკის ეპოქას მოჰყვა კვარკის, ლეპტონის და ბირთვული ეპოქები; ყველა იყო ხანმოკლე, მაგრამ ახასიათებდა უკიდურესად მაღალი ტემპერატურა, რომელიც თანდათან მცირდებოდა სამყაროს გაფართოებასთან ერთად.
სამყაროს ამ ადრეული ფაზის პირდაპირი შესწავლა შეუძლებელია. რაც შეიძლება გაკეთდეს არის სამყაროს პირველი სამი წუთის პირობების ხელახლა შექმნა დიდი აფეთქების შემდეგ ნაწილაკების ამაჩქარებლებში. ამაჩქარებლებში/კოლაიდერებში ნაწილაკების შეჯახების შედეგად წარმოქმნილი მონაცემები გვთავაზობს არაპირდაპირ ფანჯარას ძალიან ადრეული სამყაროსკენ.
კოლაიდერები ძალიან მნიშვნელოვანი კვლევის ინსტრუმენტია ნაწილაკების ფიზიკაში. ეს არის წრიული ან წრფივი მანქანები, რომლებიც აჩქარებენ ნაწილაკებს ძალიან მაღალ სიჩქარემდე, სინათლის სიჩქარესთან ახლოს და საშუალებას აძლევს მათ შეეჯახონ სხვა ნაწილაკს, რომელიც მოდის საპირისპირო მიმართულებიდან ან სამიზნის წინააღმდეგ. შეჯახებები წარმოქმნის უკიდურესად მაღალ ტემპერატურას ტრილიონ კელვინის რიგითობით (მსგავსია რადიაციის ეპოქის ადრეულ ეპოქებში არსებული პირობების მსგავსი). ემატება შეჯახებული ნაწილაკების ენერგიები, შესაბამისად, შეჯახების ენერგია უფრო მაღალია, რომელიც გარდაიქმნება მატერიად მასიური ნაწილაკების სახით, რომლებიც არსებობდა ძალიან ადრეულ სამყაროში მასა-ენერგეტიკული სიმეტრიის მიხედვით. მაღალი ენერგიის ნაწილაკებს შორის ასეთი ურთიერთქმედება იმ პირობებში, რაც არსებობდა ძალიან ადრეულ სამყაროში, აძლევს ფანჯრებს იმ დროის სხვაგვარად მიუწვდომელ სამყაროს და შეჯახების გვერდითი პროდუქტების ანალიზი საშუალებას გვაძლევს გავიგოთ ფიზიკის მმართველი კანონები.
შესაძლოა, კოლაიდერების ყველაზე ცნობილი მაგალითია CERN-ის დიდი ადრონული კოლაიდერი (LHC), ანუ დიდი ზომის კოლაიდერები, სადაც ჰადრონები (კომპოზიტური ნაწილაკები, რომლებიც დამზადებულია მხოლოდ კვარკებისგან, როგორიცაა პროტონები და ნეიტრონები) ეჯახება. ეს არის მსოფლიოში ყველაზე დიდი და ყველაზე ძლიერი კოლაიდერი, რომელიც წარმოქმნის შეჯახებებს 13 ტევ ენერგიით (ტერაელექტრონვოლტი), რაც ყველაზე მაღალი ენერგიაა, რომელსაც მიაღწია ამაჩქარებელმა. შეჯახების ქვეპროდუქტების შესწავლა აქამდე ძალიან გამდიდრებული იყო. ჰიგსის ბოზონის აღმოჩენა 2012 წელს ATLAS და CMS ექსპერიმენტებით დიდ ადრონულ კოლაიდერზე (LHC) არის მეცნიერების მნიშვნელოვანი ეტაპი.
ნაწილაკების ურთიერთქმედების შესწავლის მასშტაბი განისაზღვრება ამაჩქარებლის ენერგიით. უფრო და უფრო მცირე მასშტაბების შესასწავლად საჭიროა უფრო და უფრო მაღალი ენერგიის ამაჩქარებლები. ასე რომ, ყოველთვის არის უფრო მაღალი ენერგიის ამაჩქარებლების ძიება, ვიდრე ამჟამად ხელმისაწვდომია ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელის სრული შესწავლისა და მცირე მასშტაბის გამოკვლევისთვის. ამიტომ, რამდენიმე ახალი უფრო მაღალი ენერგიის ამაჩქარებელი ამჟამად მილსადენშია.
CERN-ის მაღალი სიკაშკაშის დიდი ადრონული კოლაიდერი (HL – LHC), რომელიც სავარაუდოდ 2029 წლისთვის ამოქმედდება, შექმნილია იმისთვის, რომ გაზარდოს LHC-ის მოქმედება შეჯახების რაოდენობის გაზრდით, რათა შესაძლებელი გახდეს ცნობილი მექანიზმების უფრო დეტალურად შესწავლა. მეორეს მხრივ, მომავალი წრიული კოლაიდერი (FCC) არის CERN-ის მაღალი წარმადობის ნაწილაკების კოლაიდერების უაღრესად ამბიციური პროექტი, რომელიც იქნება დაახლოებით 100 კმ-ის გარშემოწერილობით 200 მეტრის ქვემოთ და მოჰყვება დიდი ადრონული კოლაიდერის (LHC). მისი მშენებლობა სავარაუდოდ 2030-იან წლებში დაიწყება და განხორციელდება ორ ეტაპად: FCC-ee (ზუსტი გაზომვები) ამოქმედდება 2040-იანი წლების შუა რიცხვებისთვის, ხოლო FCC-hh (მაღალი ენერგია) 2070-იან წლებში დაიწყებს მუშაობას. FCC-მ უნდა გამოიკვლიოს ახალი, უფრო მძიმე ნაწილაკების არსებობა, LHC-ს მიუწვდომელი და მსუბუქი ნაწილაკების არსებობა, რომლებიც ძალიან სუსტად ურთიერთქმედებენ სტანდარტული მოდელის ნაწილაკებთან.
ამრიგად, ნაწილაკების ერთი ჯგუფი, რომელიც ეჯახება კოლაიდერს, არის ჰადრონები, როგორიცაა პროტონები და ბირთვები, რომლებიც წარმოადგენენ კვარკებისგან შედგენილ კომპოზიტურ ნაწილაკებს. ისინი მძიმეა და მკვლევარებს საშუალებას აძლევს მიაღწიონ მაღალ ენერგიებს, როგორც LHC-ის შემთხვევაში. სხვა ჯგუფი არის ლეპტონები, როგორიცაა ელექტრონები და პოზიტრონები. ამ ნაწილაკებს ასევე შეუძლიათ შეჯახება, როგორც დიდი ელექტრონ-პოზიტრონის კოლაიდერის (LEPC) და SuperKEKB კოლაიდერის შემთხვევაში. ელექტრონ-პოზიტრონზე დაფუძნებული ლეპტონის კოლაიდერის ერთ-ერთი მთავარი პრობლემა არის ენერგიის დიდი დანაკარგი სინქროტრონის გამოსხივების გამო, როდესაც ნაწილაკები იძულებით მოძრაობენ წრიულ ორბიტაზე, რაც შეიძლება დაიძლიოს მიონების გამოყენებით. ელექტრონების მსგავსად, მიონები არის ელემენტარული ნაწილაკები, მაგრამ ისინი 200-ჯერ უფრო მძიმეა ვიდრე ელექტრონები, შესაბამისად, ენერგიის გაცილებით ნაკლები დანაკარგი სინქროტრონის გამოსხივების გამო.
ჰადრონული კოლაიდერისგან განსხვავებით, მიონური კოლაიდერი შეიძლება იმუშაოს ნაკლები ენერგიის გამოყენებით, რაც აქცევს 10 ტევ-იან მუონურ კოლაიდერს 100 ტევ ჰადრონის კოლაიდერთან. ამიტომ, მიონური კოლაიდერები შეიძლება გახდეს უფრო რელევანტური მაღალი სიკაშკაშის დიდი ადრონული კოლაიდერის შემდეგ (HL – LHC) მაღალი ენერგიის ფიზიკის ექსპერიმენტებისთვის FCC-ee-სთან მიმართებაში, ან CLIC (კომპაქტური ხაზოვანი კოლაიდერი) ან ILC (საერთაშორისო ხაზოვანი კოლაიდერი). მაღალი ენერგიის მომავალი კოლაიდერების გაჭიანურებული ვადების გათვალისწინებით, მიონის კოლაიდერები შეიძლება იყოს მხოლოდ პოტენციური კვლევის ინსტრუმენტი ნაწილაკების ფიზიკაში მომდევნო სამი ათწლეულის განმავლობაში. მუონები შეიძლება სასარგებლო იყოს ანომალიური მაგნიტური მომენტის (g-2) და ელექტრული დიპოლური მომენტის (EDM) ულტრა ზუსტი გაზომვისთვის სტანდარტული მოდელის მიღმა ძიებისკენ. მიონის ტექნოლოგიას ასევე აქვს გამოყენება რამდენიმე ინტერდისციპლინურ კვლევის სფეროში.
თუმცა, არსებობს ტექნიკური გამოწვევები მიონის კოლაიდერების რეალიზებაში. ჰადრონებისა და ელექტრონებისგან განსხვავებით, რომლებიც არ იშლება, მიონებს აქვთ მოკლე სიცოცხლე მხოლოდ 2.2 მიკროწამში, სანამ ისინი დაიშლება ელექტრონებად და ნეიტრინოებად. მაგრამ მიონის სიცოცხლე იზრდება ენერგიით, რაც ნიშნავს, რომ მისი დაშლა შეიძლება გადაიდოს, თუ სწრაფად აჩქარდება. მაგრამ მიონების აჩქარება ტექნიკურად რთულია, რადგან მათ არ აქვთ იგივე მიმართულება ან სიჩქარე.
ახლახან, იაპონიის პროტონის ამაჩქარებლის კვლევის კომპლექსის (J-PARC) მკვლევარებმა მიაღწიეს მიონის ტექნოლოგიურ გამოწვევებს. მათ მიაღწიეს პოზიტიური მიონის აჩქარებას სინათლის სიჩქარის დაახლოებით 4%-მდე, პირველად მსოფლიოში. ეს იყო დადებითი მიონის გაგრილებისა და აჩქარების პირველი დემონსტრირება გაგრილებისა და აჩქარების ტექნოლოგიების წლების უწყვეტი განვითარების შემდეგ.
პროტონის ამაჩქარებელი J-PARC-ში აწარმოებს დაახლოებით 100 მილიონ მუონს წამში. ეს ხდება პროტონების სინათლის სიჩქარის მიახლოებით აჩქარებით და საშუალებას აძლევს მას შეეჯახოს გრაფიტს და შექმნას პიონები. მიონები წარმოიქმნება როგორც პიონების დაშლის პროდუქტი.
მკვლევართა ჯგუფმა შექმნა დადებითი მიონები, რომელთა სიჩქარე სინათლის სიჩქარის დაახლოებით 30%-ია და გადააგდო ისინი სილიციუმის აეროგელში. ნებადართული მიონები გაერთიანდნენ ელექტრონებთან სილიციუმის აეროგელში, რის შედეგადაც წარმოიქმნება მუონიუმი (ნეიტრალური, ატომის მსგავსი ნაწილაკი ან ფსევდოატომი, რომელიც შედგება დადებითი მიონის ცენტრში და ელექტრონი დადებითი მიონის გარშემო). შემდგომში, ელექტრონები ჩამოშორდნენ მუონიუმს ლაზერის დასხივების გზით, რამაც დადებითი მიონები გაცივდა სინათლის სიჩქარის დაახლოებით 0.002%-მდე. ამის შემდეგ, გაცივებული დადებითი მიონები აჩქარდა რადიოსიხშირული ელექტრული ველის გამოყენებით. ამგვარად შექმნილი აჩქარებული პოზიტიური მიონები მიმართული იყო, რადგან ისინი იწყებოდნენ თითქმის ნულიდან და ხდებოდნენ უაღრესად მიმართულების მიონის სხივად და თანდათან აჩქარდნენ და მიაღწიეს სინათლის სიჩქარის დაახლოებით 4%-ს. ეს არის მნიშვნელოვანი ეტაპი მიონის აჩქარების ტექნოლოგიაში.
კვლევითი ჯგუფი გეგმავს საბოლოოდ დააჩქაროს დადებითი მიონები სინათლის სიჩქარის 94%-მდე.
***
წყაროები:
- ორეგონის უნივერსიტეტი. ადრეული სამყარო - ტიმის დასაწყისისკენ. ხელმისაწვდომია https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. აჩქარების მეცნიერება - მიონის კოლაიდერი. ხელმისაწვდომია https://home.cern/science/accelerators/muon-collider-ზე
- J-PARC. პრესრელიზი – მსოფლიოში პირველი მიონის გაციება და აჩქარება. გამოქვეყნებულია 23 წლის 2024 მაისს. ხელმისაწვდომია მისამართზე https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. დადებითი მიონების აჩქარება რადიოსიხშირული ღრუს მიერ. წინასწარი დაბეჭდვა arXiv-ზე. გაგზავნილია 15 წლის 2024 ოქტომბერს. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
სხვა სტატიები
ფუნდამენტური ნაწილაკები სწრაფი სახე. კვანტური ჩახლართულობა "ტოპ კვარკებს" შორის უმაღლეს ენერგიებზე დაკვირვებით (სექტემბერი 22).
***
