Partikelbeschleuniger ginn als Fuerschungsinstrumenter fir d'Studie vum ganz fréien Universum benotzt. Hadron Collider (besonnesch CERN's Large Hadron Collider LHC) an Elektronen-Positron Collider sinn am Virdergrond an der Exploratioun vum ganz fréien Universum. D'ATLAS an d'CMS Experimenter um Large Hadron Collider (LHC) waren erfollegräich fir den Higgs Boson am Joer 2012 z'entdecken. D'Fuerscher hunn et elo fäerdeg bruecht e positive Muon op ongeféier 4% vun der Liichtgeschwindegkeet ze beschleunegen. Dëst ass déi éischt Ofkillung a Beschleunegung vu Muon op der Welt. Als Beweis-vun-Konzept Demonstratioun, mécht dëst de Wee fir d'Realiséierung vum éischte Muon Beschleuniger an der nächster Zukunft.
Fréier Universum gëtt am Moment vum James Webb Weltraumteleskop (JWST) studéiert. Exklusiv fir d'Studie vum fréien Universum gewidmet, mécht JWST dat andeems se optesch / Infrarout Signaler vun de fréie Stären a Galaxien ophuelen, déi am Universum nom Big Bang geformt goufen. Viru kuerzem huet de JWST déi wäitste Galaxis JADES-GS-z14-0 entdeckt, déi am fréien Universum ongeféier 290 Millioune Joer nom Big Bang geformt gouf.
Et ginn dräi Phasen vum Universum - Stralung Ära, Matière Ära an déi aktuell donkel Energie Ära. Vum Big Bang bis ongeféier 50,000 Joer war d'Universum duerch Stralung dominéiert. Dëst gouf vun der Matière Ära gefollegt. Déi galaktesch Epoch vun der Matière-Ära, déi vu ronn 200 Millioune Joer nom Big Bang bis ongeféier 3 Milliarde Joer nom Big Bang gedauert huet, war duerch d'Bildung vu grousse Strukture wéi Galaxien charakteriséiert. Dës Epoch gëtt normalerweis als "fréi Universum" bezeechent datt JWST studéiert.
"Ganz fréi Universum" bezitt sech op déi fréist Phas vum Universum kuerz nom Big Bang, wann et extrem waarm war a komplett vun der Stralung dominéiert gouf. D'Plank-Epoch ass déi éischt Epoch vun der Stralungszäit, déi vum Big Bang bis 10 gedauert huet.-43 s. Mat enger Temperatur vun 1032 K, den Universum war super-waarm an dëser Epoch. D'Planck-Epoch gouf gefollegt vun de Quark-, Lepton- an Nuklearepochen; all ware kuerzlieweg awer duerch extrem héich Temperaturen charakteriséiert, déi lues a lues erofgaange sinn wéi d'Universum erweidert.
Direkt Studie vun dëser fréister Phase vum Universum ass net méiglech. Wat ka gemaach ginn ass d'Konditioune vun den éischten dräi Minutte vum Universum nom Big Bang an de Partikelbeschleuniger nei ze kreéieren. D'Daten generéiert duerch Kollisiounen vun de Partikelen an Acceleratoren/Kollideren bidden eng indirekten Fënster zum ganz fréien Universum.
Colliders si ganz wichteg Fuerschungsinstrumenter an der Partikelphysik. Dëst si kreesfërmeg oder linear Maschinnen, déi Partikelen op ganz héich Geschwindegkeete no bei der Liichtgeschwindegkeet beschleunegen an et erlaben, géint en anere Partikel ze kollidéieren, déi aus entgéintgesate Richtung oder géint en Zil kommen. D'Kollisiounen generéieren extrem héich Temperaturen an der Uerdnung vun Billioune vu Kelvin (ähnlech wéi Bedéngungen, déi an de fréisten Epochen vun der Stralungszäit präsent waren). D'Energie vu kollidéierende Partikele ginn dobäi bäigefüügt, dofir ass d'Kollisiounsenergie méi héich, déi an d'Matière ëmgewandelt gëtt a Form vu massive Partikelen, déi am ganz fréien Universum existéieren no der Mass-Energie-Symmetrie. Esou Interaktiounen tëscht héich-Energiepartikelen an de Bedéngungen, déi am ganz fréien Universum existéiert hunn, ginn Fënstere fir déi soss onzougänglech Welt vun där Zäit an d'Analyse vun den Nieweprodukter vu Kollisiounen bitt e Wee fir d'regéierend Gesetzer vun der Physik ze verstoen.
Vläicht ass dat bekanntst Beispill vu Kollideren dem CERN säi Large Hadron Collider (LHC) nämlech, grouss Kollidere wou Hadronen (Kompositpartikelen nëmme vu Quarks wéi Protonen an Neutronen) kollidéieren. Et ass dee gréissten a mächtegste Kollider op der Welt, déi Kollisiounen mat enger Energie vun 13 TeV (Teraelektronvolt) generéiert, wat déi héchst Energie vun engem Beschleuniger ass. D'Studie vun de Nebenprodukte vun de Kollisiounen ass bis elo ganz beräicherend. D'Entdeckung vum Higgs-Boson am Joer 2012 duerch den ATLAS- a CMS-Experimenter am Large Hadron Collider (LHC) ass e Meilesteen an der Wëssenschaft.
D'Skala vun der Studie vun der Partikelinteraktioun gëtt vun der Energie vum Beschleuniger bestëmmt. Fir op méi kleng a méi kleng Skalen ze exploréieren, brauch een Beschleuniger vu méi héijer a méi héijer Energie. Also, et ass ëmmer eng Sich no méi héijer Energie Beschleuniger wéi am Moment verfügbar fir déi voll Exploratioun vum Standardmodell vun der Partikelphysik an Untersuchung op méi kleng Skalen. Dofir sinn e puer nei méi héich-Energie Beschleuniger am Moment an der Pipeline.
CERN's High-Luminosity Large Hadron Collider (HL - LHC), dee méiglecherweis bis 2029 operationell ass, ass entwéckelt fir d'Leeschtung vum LHC z'erhéijen andeems d'Zuel vun de Kollisiounen erhéicht gëtt fir d'Studie vu bekannte Mechanismen méi detailléiert z'erméiglechen. Op der anerer Säit ass Future Circular Collider (FCC) dem CERN säin héich ambitiéise méi héije Partikelkolliderprojet deen ongeféier 100 km am Ëmfang 200 Meter ënner dem Buedem wier a géif op de Large Hadron Collider (LHC) verfollegen. Seng Konstruktioun fänkt méiglecherweis an 2030er Joren un a géif an zwou Etappen ëmgesat ginn: FCC-ee (Präzisiounsmessungen) wäerte bis Mëtt 2040er operationell sinn, während FCC-hh (Héichenergie) an 2070er Operatioun fänkt. FCC soll d'Existenz vun neien, méi schwéieren Partikelen entdecken, iwwer d'Erreeche vum LHC an d'Existenz vu méi hell Partikelen, déi ganz schwaach mat Standard Model Partikel interagéieren.
Also, eng Grupp vu Partikelen, déi an engem Kollider kollidéieren, sinn Hadronen wéi Protonen a Käre, déi Kompositpartikelen aus Quarks sinn. Dës si schwéier an erlaben d'Fuerscher héich Energien z'erreechen wéi am Fall vun LHC. Aner Grupp ass vu Leptone wéi Elektronen a Positronen. Dës Partikel kënnen och kollidéieren wéi am Fall vu Large Electron-Positron Collider (LEPC) an SuperKEKB Collider. Ee grousst Thema mam Elektronen-Positron-baséierten Leptonkollider ass e groussen Energieverloscht wéinst Synchrotronstrahlung wann Partikelen an enger kreesfërmeger Ëmlafbunn gezwongen sinn, déi duerch Muonen iwwerwonne kënne ginn. Wéi Elektronen, Muonen sinn elementar Partikel awer si 200 Mol méi schwéier wéi Elektronen dofir vill manner Energieverloscht wéinst Synchrotronstralung.
Am Géigesaz zu Hadron Collider, kann e Muon Collider mat manner Energie lafen, wat en 10 TeV Muon Collider par par mat engem 100 TeV Hadron Collider mécht. Dofir kënne Muonkollidere méi relevant ginn post-High Luminosity Large Hadron Collider (HL - LHC) fir Héichenergiephysik Experimenter vis-a-vis FCC-ee, oder KLIK (Compact Linear Collider) oder ILC (International Linear Collider). Gitt laangwiereg Zäitlinne vun zukünftege Kollidere mat héijer Energie, kéinte Muonkollider nëmmen potenziell Fuerschungsinstrument an der Partikelphysik fir déi nächst dräi Joerzéngte sinn. Muonen kënne nëtzlech sinn fir ultra-präzis Messung vum anomale magnetesche Moment (g-2) an elektreschen Dipolmoment (EDM) Richtung Exploratioun iwwer de Standardmodell. D'Muon Technologie huet Uwendungen och a verschiddenen interdisziplinäre Fuerschungsberäicher.
Wéi och ëmmer, et ginn technesch Erausfuerderunge fir Muonkollider ze realiséieren. Am Géigesaz zu Hadronen an Elektronen déi net zerfallen, hunn d'Muonen eng kuerz Liewensdauer vun nëmmen 2.2 Mikrosekonne ier se an en Elektron an Neutrinoen zerfallen. Awer dem Muon seng Liewensdauer erhéicht mat Energie, wat implizéiert datt säin Zerfall ausgestallt ka ginn wann se séier beschleunegt ginn. Awer Muonen ze beschleunegen ass technesch schwéier well se net déiselwecht Richtung oder Geschwindegkeet hunn.
Viru kuerzem hunn d'Fuerscher am Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) et fäerdeg bruecht d'Muon-Technologie Erausfuerderungen ze iwwerwannen. Si hunn et fäerdeg bruecht e positive Muon op ongeféier 4% vun der Liichtgeschwindegkeet fir d'éischte Kéier op der Welt ze beschleunegen. Dëst war déi éischt Demonstratioun vu Killung a Beschleunigung vu positive Muon no Joere vun der kontinuéierlecher Entwécklung vu Kill- a Beschleunigungstechnologien.
De Proton Beschleuniger bei J-PARC produzéiert ongeféier 100 Millioune Muonen pro Sekonn. Dëst gëtt gemaach andeems d'Protone bis no bei der Liichtgeschwindegkeet beschleunegen an et erlaabt Grafit ze schloen fir Pionen ze bilden. Muonen ginn als Zerfallprodukt vu Pionen geformt.
D'Fuerschungsteam huet positiv Muonen produzéiert mat enger Geschwindegkeet vun ongeféier 30% vun der Liichtgeschwindegkeet an huet se a Silica Aerogel erschoss. Déi erlaabt Muonen ze kombinéieren mat Elektronen am Silica Airgel, wat zu der Bildung vu Muonium resultéiert (en neutralen, atomähnlechen Partikel oder Pseudoatom besteet aus engem positive Muon am Zentrum an engem Elektron ronderëm de positive Muon). Duerno goufen d'Elektronen aus dem Muonium duerch d'Bestrahlung vum Laser ofgerappt, déi positiv Muonen op ongeféier 0.002% vun der Liichtgeschwindegkeet ofgekillt ginn. Duerno goufen déi ofgekillte positiven Muonen duerch radiofrequenz elektrescht Feld beschleunegt. Déi beschleunegt positiv Muonen, déi doduerch erstallt goufen, ware directional well se vun no bei Null ugefaang hunn an héich Richtungen Muonstrahle ginn, wéi se graduell beschleunegt goufen bis ongeféier 4% vun der Liichtgeschwindegkeet erreecht hunn. Dëst ass e Meilesteen an der Muon Beschleunigungstechnologie.
D'Fuerschungsteam plangt eventuell positiv Muonen op 94% vun der Liichtgeschwindegkeet ze beschleunegen.
***
Referenzen:
- Universitéit vun Oregon. De fréie Universum - Richtung Ufank vum Tim. Verfügbar um https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Beschleunegt Wëssenschaft - Muon Collider. Verfügbar op https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Pressematdeelung - Welt éischt Ofkillung a Beschleunegung vu Muon. Gepost 23. méi 2024. Disponibel um https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Beschleunegung vu positive Muonen duerch eng Radiofrequenz Kavitéit. Preprint bei arXiv. Proposéiert den 15. Oktober 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Verbonnen Artikelen
Fundamental Partikel E séiere Bléck. Quantum Entanglement tëscht "Top Quarks" bei den héchsten Energien observéiert (22 September 2024).
***
