"Juda erta koinot" ni o'rganish uchun zarrachalar to'qnashuvi: Muon kollayderi namoyish etildi

Zarracha tezlatgichlari juda erta koinotni o'rganish uchun tadqiqot vositalari sifatida ishlatiladi. Adron kollayderlari (xususan, CERNning Katta adron kollayderi LHC) va elektron-pozitron kollayderlari juda erta koinotni o'rganishda birinchi o'rinda turadi. Katta adron kollayderida (LHC) ATLAS va CMS tajribalari 2012-yilda Xiggs bozonini kashf etishda muvaffaqiyat qozondi. Muon kollayderi bunday tadqiqotlarda katta foyda keltirishi mumkin, ammo bu hali haqiqat emas. Tadqiqotchilar hozirda ijobiy muonni yorug'lik tezligining taxminan 4% ga tezlashtirishga muvaffaq bo'lishdi. Bu muonning dunyodagi birinchi sovishi va tezlashishi. Bu kontseptsiyaning isboti sifatida yaqin kelajakda birinchi muon tezlatgichini amalga oshirish uchun yo'l ochadi.  

Ilk koinot hozirda Jeyms Uebb kosmik teleskopi (JWST) tomonidan o'rganilmoqda. Faqat erta koinotni o'rganishga bag'ishlangan JWST buni Katta portlashdan keyin koinotda hosil bo'lgan dastlabki yulduzlar va galaktikalardan optik/infraqizil signallarni olish orqali amalga oshiradi. Yaqinda JWST Katta portlashdan taxminan 14 million yil o'tgach, dastlabki koinotda shakllangan eng uzoq JADES-GS-z0-290 galaktikasini muvaffaqiyatli kashf etdi.  

Koinotning uchta bosqichi mavjud - radiatsiya davri, materiya davri va hozirgi qorong'u energiya davri. Katta portlashdan boshlab taxminan 50,000 200 yil davomida koinotda nurlanish hukmronlik qilgan. Bundan keyin materiya davri keldi. Katta portlashdan keyin taxminan 3 million yil va Katta portlashdan keyin taxminan XNUMX milliard yil davom etgan materiya davrining galaktika davri galaktikalar kabi yirik tuzilmalarning shakllanishi bilan tavsiflangan. Ushbu davr odatda JWST o'rganadigan "erta koinot" deb nomlanadi.  

"Juda erta koinot" Katta portlashdan ko'p o'tmay, juda issiq bo'lgan va radiatsiya to'liq hukmronlik qilgan koinotning eng dastlabki bosqichini anglatadi. Plank davri - bu Katta portlashdan 10 yilgacha davom etgan radiatsiya davrining birinchi davri.^-43 s. 10 harorat bilan³² K, bu davrda koinot juda issiq edi. Plank davridan keyin Kvark, Lepton va Yadro davrlari; ularning barchasi qisqa umr ko'rdi, lekin koinot kengaygan sari asta-sekin pasayib boruvchi juda yuqori haroratlar bilan ajralib turadi.  

Koinotning ushbu eng dastlabki bosqichini bevosita o'rganish mumkin emas. Nima qilish mumkin, zarracha tezlatgichlarida Katta portlashdan keyin koinotning dastlabki uch daqiqasidagi sharoitlarni qayta tiklash. Tezlatgichlar/kollayderlardagi zarrachalarning to'qnashuvi natijasida hosil bo'lgan ma'lumotlar juda erta koinotga bilvosita oynani taklif qiladi.  

Kollayderlar zarrachalar fizikasida juda muhim tadqiqot vositalaridir. Bu dumaloq yoki chiziqli mashinalar bo'lib, zarrachalarni yorug'lik tezligiga yaqin bo'lgan juda yuqori tezlikka tezlashtiradi va ularni qarama-qarshi tomondan yoki nishonga qarshi kelayotgan boshqa zarrachaga qarshi to'qnashishiga imkon beradi. To'qnashuvlar trillionlab Kelvin darajasida juda yuqori haroratni keltirib chiqaradi (radiatsiya davrining eng dastlabki davrlarida mavjud bo'lgan sharoitlarga o'xshash). To'qnashuvchi zarrachalarning energiyalari qo'shiladi, shuning uchun to'qnashuv energiyasi kattaroq bo'lib, u massa-energiya simmetriyasiga ko'ra juda erta koinotda mavjud bo'lgan massiv zarralar shaklida materiyaga aylanadi. Eng erta koinotda mavjud bo'lgan sharoitlarda yuqori energiyali zarralar o'rtasidagi bunday o'zaro ta'sirlar o'sha davrning boshqa yo'l bilan erishib bo'lmaydigan dunyosiga derazalar ochadi va to'qnashuvlarning qo'shimcha mahsulotlarini tahlil qilish fizikaning boshqaruv qonunlarini tushunish imkonini beradi.  

Ehtimol, kollayderlarning eng mashhur namunasi CERNning Katta adron kollayderi (LHC), ya'ni adronlar (faqat proton va neytron kabi kvarklardan tashkil topgan kompozit zarralar) to'qnashadigan katta o'lchamli kollayderlardir. Bu dunyodagi eng katta va eng kuchli kollayder bo'lib, u 13 TeV (teraelektronvolts) energiyada to'qnashuvlar hosil qiladi, bu tezlatgich erishgan eng yuqori energiyadir. To'qnashuvlarning qo'shimcha mahsulotlarini o'rganish hozirgacha juda boy bo'ldi. 2012-yilda Katta adron kollayderida (LHC) ATLAS va CMS tajribalari orqali Xiggs bozonining topilishi fandagi muhim voqeadir.  

Zarrachalarning o'zaro ta'sirini o'rganish ko'lami tezlatgichning energiyasi bilan belgilanadi. Kichikroq va kichikroq miqyosda tadqiqot qilish uchun yuqori va yuqori energiyali tezlatgichlar kerak. Shunday qilib, har doim zarrachalar fizikasining standart modelini to'liq o'rganish va kichikroq miqyosda tekshirish uchun mavjud bo'lganidan yuqori energiyali tezlatgichlarni izlash mavjud. Shu sababli, hozirda bir nechta yangi yuqori energiyali tezlatgichlar tayyorlanmoqda.  

2029-yilgacha ishga tushishi mumkin boʻlgan CERN’ning yuqori yorugʻlikdagi katta adron kollayderi (HL – LHC) maʼlum mexanizmlarni batafsilroq oʻrganish imkonini beruvchi toʻqnashuvlar sonini koʻpaytirish orqali LHC unumdorligini oshirishga moʻljallangan. Boshqa tomondan, Future Circular Collider (FCC) - bu CERNning yuqori samarali zarrachalar to'qnashuvi loyihasi bo'lib, u erdan 100 metr pastda 200 km atrofida bo'lib, Katta adron to'qnashuvidan (LHC) davom etadi. Uning qurilishi 2030-yillarda boshlanishi mumkin va ikki bosqichda amalga oshiriladi: FCC-ee (aniq o'lchovlar) 2040-yillarning o'rtalariga kelib, FCC-hh (yuqori energiya) esa 2070-yillarda ishlay boshlaydi. FCC yangi, og'irroq zarralar mavjudligini, LHC ning qo'li yetmaydigan darajada va standart model zarralari bilan juda zaif o'zaro ta'sir qiladigan engilroq zarrachalarning mavjudligini o'rganishi kerak.  

Shunday qilib, to'qnashuvda to'qnashadigan zarralarning bir guruhi protonlar va yadrolar kabi adronlar bo'lib, ular kvarklardan tashkil topgan kompozit zarralardir. Ular og'ir va tadqiqotchilarga LHC misolida bo'lgani kabi yuqori energiyaga erishishga imkon beradi. Boshqa guruh elektronlar va pozitronlar kabi leptonlardir. Ushbu zarralar, shuningdek, Katta elektron-pozitron kollayderi (LEPC) va SuperKEKB kollayderidagi kabi to'qnashishi mumkin. Elektron-pozitronga asoslangan lepton to'qnashuvi bilan bog'liq asosiy muammolardan biri zarralar dumaloq orbitada majburlanganda sinxrotron nurlanishi tufayli katta energiya yo'qotilishi bo'lib, uni muonlar yordamida engib o'tish mumkin. Elektronlar singari, muonlar elementar zarralardir, lekin elektronlardan 200 marta og'irroq, shuning uchun sinxrotron nurlanishi tufayli energiya yo'qotilishi ancha kam.  

Hadron kollayderlaridan farqli o'laroq, muon to'qnashuvi kamroq energiya sarflab ishlay oladi, bu esa 10 TeV quvvatli muon to'qnashuvini 100 TeV hadron kollayderiga tenglashtiradi. Shu sababli, muon kollayderlari FCC-ee yoki FCC-ee ga nisbatan yuqori energiyali fizika tajribalari uchun yuqori yorug'likdagi katta adron kollayderidan (HL - LHC) ko'proq mos kelishi mumkin. CLIC (Yilni chiziqli kollayder) yoki AKM (Xalqaro chiziqli kollayder). Kelajakdagi yuqori energiyali to'qnashuvlarning cho'zilgan vaqtini hisobga olsak, muon to'qnashuvchilari keyingi o'ttiz yillikda zarrachalar fizikasida faqat potentsial tadqiqot vositasi bo'lishi mumkin. Myuonlar anomal magnit momentni (g-2) va elektr dipol momentini (EDM) standart modeldan tashqari o'rganish uchun juda aniq o'lchash uchun foydali bo'lishi mumkin. Muon texnologiyasi bir qancha fanlararo tadqiqot sohalarida ham qo'llaniladi.  

Biroq, muon kollayderlarini amalga oshirishda texnik qiyinchiliklar mavjud. Hadronlar va parchalanmagan elektronlardan farqli o'laroq, muonlar elektron va neytrinolarga parchalanishidan oldin atigi 2.2 mikrosekundlik qisqa umrga ega. Ammo muonning umri energiya bilan ko'payadi, bu uning parchalanishini tezda tezlashtirsa, keyinga qoldirish mumkinligini anglatadi. Ammo muonlarni tezlashtirish texnik jihatdan qiyin, chunki ular bir xil yo'nalish yoki tezlikka ega emas.  

Yaqinda Yaponiya proton tezlatgich tadqiqot majmuasi (J-PARC) tadqiqotchilari muon texnologiyasi muammolarini yengib o'tishga muvaffaq bo'lishdi. Ular dunyoda birinchi marta ijobiy muonni yorug'lik tezligining taxminan 4% ga tezlashtirishga muvaffaq bo'lishdi. Bu sovutish va tezlashtirish texnologiyalarining yillar davomida uzluksiz rivojlanishidan so'ng ijobiy muonning sovishi va tezlashishining birinchi namoyishi edi.  

J-PARC proton tezlatgichi soniyada taxminan 100 million muon ishlab chiqaradi. Bu protonlarni yorug'lik tezligiga yaqin tezlashtirish va pionlarni hosil qilish uchun grafitga urish imkonini berish orqali amalga oshiriladi. Myuonlar pionlarning parchalanish mahsuloti sifatida hosil bo'ladi.  

Tadqiqot guruhi yorug'lik tezligi taxminan 30% ga teng bo'lgan ijobiy muonlarni ishlab chiqardi va ularni silika aerojeliga otdi. Ruxsat etilgan muonlarning silika aerojelidagi elektronlar bilan birlashishi natijasida muoniy (markazda musbat muon va musbat muon atrofida elektrondan iborat neytral, atomga o'xshash zarracha yoki psevdo atom) hosil bo'ladi. Keyinchalik, lazer yordamida nurlanish orqali elektronlar muoniydan ajratildi, bu esa yorug'lik tezligining taxminan 0.002% gacha sovutilgan musbat muonlarni berdi. Shundan so'ng sovutilgan musbat muonlar radiochastota elektr maydoni yordamida tezlashtirildi. Shunday qilib yaratilgan tezlashtirilgan musbat muonlar yo'nalishli edi, chunki ular noldan boshlab yuqori yo'nalishli muon nuriga aylandi va asta-sekin tezlashdi va yorug'lik tezligining taxminan 4% ga yetdi. Bu muon tezlashtirish texnologiyasidagi muhim bosqichdir.  

Tadqiqot guruhi oxir-oqibat musbat muonlarni yorug'lik tezligining 94% ga tezlashtirishni rejalashtirmoqda. 

*** 

Manbalar:  

1. Oregon universiteti. Erta koinot - Timning boshlanishiga. Bu yerda mavjud https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Ilm-fanni tezlashtirish - Muon kollayderi. Bu yerda mavjud https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Press-reliz - muonning dunyodagi birinchi sovishi va tezlashishi. 23-yil 2024-mayda eʼlon qilingan. Bu manzilda mavjud https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., va boshqalar, 2024. Radiochastota bo'shlig'i tomonidan ijobiy muonlarning tezlashishi. arXiv da oldindan chop etish. 15-yil 2024-oktabrda yuborilgan. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Tegishli maqolalar  

Asosiy zarralar Tez ko'rish. Kuzatilgan eng yuqori energiyalarda “Yuqori kvarklar” orasidagi kvant chalkashlik  (22 sentyabr 2024).  

***