Përplasësit e grimcave për studimin e "Universit shumë të hershëm": demonstruar përplasësi Muon

Përshpejtuesit e grimcave përdoren si mjete kërkimore për studimin e universit shumë të hershëm. Përplasësit e Hadronit (veçanërisht përplasësi i madh i Hadronit LHC i CERN-it) dhe përplasësit elektron-pozitron janë në ballë në eksplorimin e universit shumë të hershëm. Eksperimentet ATLAS dhe CMS në Përplasësin e Madh të Hadronit (LHC) ishin të suksesshëm në zbulimin e bozonit Higgs në vitin 2012. Përplasësi i muonit mund të përdoret mjaft në studime të tilla, megjithatë nuk është ende një realitet. Studiuesit tani kanë arritur të përshpejtojnë një muon pozitiv në afërsisht 4% të shpejtësisë së dritës. Ky është ftohja dhe përshpejtimi i parë në botë i muonit. Si demonstrim i provës së konceptit, kjo hap rrugën për realizimin e përshpejtuesit të parë muon në të ardhmen e afërt.  

Universi i hershëm aktualisht po studiohet nga teleskopi hapësinor James Webb (JWST). E përkushtuar ekskluzivisht për studimin e universit të hershëm, JWST e bën këtë duke marrë sinjale optike/infra të kuqe nga yjet dhe galaktikat e hershme të formuara në Univers pas Big Bengut. Kohët e fundit, JWST zbuloi me sukses galaktikën më të largët JADES-GS-z14-0 të formuar në universin e hershëm rreth 290 milionë vjet pas Big Bengut.  

Ekzistojnë tre faza të universit - epoka e rrezatimit, epoka e materies dhe epoka aktuale e energjisë së errët. Nga Big Bengu deri në rreth 50,000 vjet, universi u dominua nga rrezatimi. Kjo u pasua nga epoka e materies. Epoka galaktike e epokës së materies, e cila zgjati nga rreth 200 milionë vjet pas Big Bengut deri në rreth 3 miliardë vjet pas Big Bengut, u karakterizua nga formimi i strukturave të mëdha si galaktikat. Kjo epokë zakonisht quhet "univers i hershëm" që studion JWST.  

"Universi shumë i hershëm" i referohet fazës më të hershme të universit menjëherë pas Big Bengut kur ishte jashtëzakonisht i nxehtë dhe u dominua plotësisht nga rrezatimi. Epoka Plank është epoka e parë e epokës së rrezatimit që zgjati nga Big Bengu deri në 10^-43 s. Me një temperaturë prej 10³² K, universi ishte super i nxehtë në këtë epokë. Epoka e Plankut u pasua nga epokat e Quark, Lepton dhe Bërthamore; të gjitha ishin jetëshkurtër, por karakterizoheshin nga temperatura jashtëzakonisht të larta të cilat gradualisht u ulën me zgjerimin e universit.  

Studimi i drejtpërdrejtë i kësaj faze më të hershme të universit nuk është i mundur. Ajo që mund të bëhet është të rikrijohen kushtet e tre minutave të para të universit pas Big Bengut në përshpejtuesit e grimcave. Të dhënat e krijuara nga përplasjet e grimcave në përshpejtuesit/përplasësit ofrojnë një dritare indirekte për universin shumë të hershëm.  

Përplasësit janë mjete shumë të rëndësishme kërkimore në fizikën e grimcave. Këto janë makina rrethore ose lineare që përshpejtojnë grimcat në shpejtësi shumë të larta afër shpejtësisë së dritës dhe i lejojnë ato të përplasen me një grimcë tjetër që vjen nga drejtimi i kundërt ose kundër një objektivi. Përplasjet gjenerojnë temperatura jashtëzakonisht të larta në rendin e triliona Kelvin (të ngjashme me kushtet e pranishme në epokat më të hershme të epokës së rrezatimit). Energjitë e grimcave që përplasen shtohen, kështu që energjia e përplasjes është më e lartë e cila shndërrohet në materie në formën e grimcave masive që ekzistonin në universin shumë të hershëm sipas simetrisë masë-energji. Ndërveprime të tilla midis grimcave me energji të lartë në kushtet që ekzistonin në universin shumë të hershëm i japin dritare botës së paarritshme të asaj kohe dhe analiza e nënprodukteve të përplasjeve ofron një mënyrë për të kuptuar ligjet drejtuese të fizikës.  

Ndoshta, shembulli më i famshëm i përplasësve është Përplasësi i Madh i Hadronit (LHC) i CERN-it, dmth., përplasës me përmasa të mëdha ku përplasen hadronet (grimcat e përbëra vetëm nga kuarke si protonet dhe neutronet). Është përplasësi më i madh dhe më i fuqishëm në botë që gjeneron përplasje me një energji prej 13 TeV (teraelektronvolt), që është energjia më e lartë e arritur nga një përshpejtues. Studimi i nënprodukteve të përplasjeve ka qenë shumë pasurues deri më tani. Zbulimi i bozonit Higgs në vitin 2012 nga eksperimentet ATLAS dhe CMS në Përplasësin e Madh të Hadronit (LHC) është një moment historik në shkencë.  

Shkalla e studimit të ndërveprimit të grimcave përcaktohet nga energjia e përshpejtuesit. Për të eksploruar në shkallë gjithnjë e më të vogla, nevojiten përshpejtues me energji gjithnjë e më të lartë. Pra, ekziston gjithmonë një kërkim për përshpejtues me energji më të lartë se sa disponohen aktualisht për eksplorimin e plotë të modelit standard të fizikës së grimcave dhe hetimin në shkallë më të vogla. Prandaj, disa përshpejtues të rinj me energji më të lartë janë aktualisht në prodhim.  

Përplasësi i madh i Hadronit me ndriçim të lartë të CERN-it (HL – LHC), i cili ka të ngjarë të jetë funksional deri në vitin 2029, është krijuar për të rritur performancën e LHC duke rritur numrin e përplasjeve në mënyrë që të lejojë studimin e mekanizmave të njohur në detaje. Nga ana tjetër, Future Circular Collider (FCC) është projekti shumë ambicioz i CERN-it për përplasësit e grimcave me performancë më të lartë që do të ishte rreth 100 km në perimetër 200 metra nën tokë dhe do të vijonte nga Përplasësi i Madh i Hadronit (LHC). Ndërtimi i tij ka të ngjarë të fillojë në vitin 2030 dhe do të zbatohet në dy faza: FCC-ee (matjet precize) do të jetë funksionale nga mesi i viteve 2040 ndërsa FCC-hh (energjia e lartë) fillon funksionimin në vitet 2070. FCC duhet të eksplorojë ekzistencën e grimcave të reja, më të rënda, përtej mundësive të LHC dhe ekzistencën e grimcave më të lehta që ndërveprojnë shumë dobët me grimcat e Modelit Standard.  

Kështu, një grup grimcash që përplasen në një përplasës janë hadronet si protonet dhe bërthamat të cilat janë grimca të përbëra të bëra nga kuarke. Këto janë të rënda dhe i lejojnë studiuesit të arrijnë energji të larta si në rastin e LHC. Një grup tjetër është i leptoneve si elektronet dhe pozitronet. Këto grimca gjithashtu mund të përplasen si në rastin e përplasësit të madh elektron-pozitron (LEPC) dhe përplasësit SuperKEKB. Një çështje kryesore me përplasësin e leptonit me bazë elektron-pozitron është humbja e madhe e energjisë për shkak të rrezatimit sinkrotron kur grimcat detyrohen në orbitë rrethore të cilat mund të kapërcehen duke përdorur muonet. Ashtu si elektronet, muonet janë grimca elementare, por janë 200 herë më të rënda se elektronet, kështu që humbet shumë më pak energji për shkak të rrezatimit sinkrotron.  

Ndryshe nga përplasësit e hadronit, një përplasës muon mund të funksionojë duke përdorur më pak energji, gjë që e bën një përplasës muon 10 TeV në të njëjtin nivel me një përplasës hadron 100 TeV. Prandaj, përplasësit e muonit mund të bëhen më të rëndësishëm pas përplasësit të madh të Hadronit me ndriçim të lartë (HL – LHC) për eksperimentet e fizikës me energji të lartë vis-a-vis FCC-ee, ose KLIK (Collider Kompakt Linear) ose ILC (International Linear Collider). Duke pasur parasysh afatet kohore të zgjatura të përplasësve të ardhshëm me energji të lartë, përplasësit muon mund të jenë vetëm një mjet i mundshëm kërkimor në fizikën e grimcave për tre dekadat e ardhshme. Muonët mund të jenë të dobishëm për matjen jashtëzakonisht të saktë të momentit magnetik anormal (g-2) dhe momentit të dipolit elektrik (EDM) drejt eksplorimit përtej modelit standard. Teknologjia e muonit ka aplikime edhe në disa fusha kërkimore ndërdisiplinore.  

Megjithatë, ka sfida teknike në realizimin e përplasësve muon. Ndryshe nga hadronet dhe elektronet që nuk prishen, muonët kanë një jetë të shkurtër prej vetëm 2.2 mikrosekonda para se të kalbet në një elektron dhe neutrino. Por jeta e muonit rritet me energjinë që nënkupton që prishja e tij mund të shtyhet nëse përshpejtohet shpejt. Por përshpejtimi i muoneve është teknikisht i vështirë sepse ata nuk kanë të njëjtin drejtim apo shpejtësi.  

Kohët e fundit, studiuesit në Kompleksin Kërkimor të Përshpejtuesit të Protonit në Japoni (J-PARC) ia kanë dalë të kapërcejnë sfidat e teknologjisë muon. Ata arritën të përshpejtojnë një muon pozitiv në afërsisht 4% të shpejtësisë së dritës për herë të parë në botë. Ky ishte demonstrimi i parë i ftohjes dhe përshpejtimit të muonit pozitiv pas viteve të zhvillimit të vazhdueshëm të teknologjive të ftohjes dhe përshpejtimit.  

Përshpejtuesi i protonit në J-PARC prodhon afërsisht 100 milionë muone në sekondë. Kjo bëhet duke përshpejtuar protonet afër shpejtësisë së dritës dhe duke e lejuar atë të godasë grafitin për të formuar pione. Muonet formohen si produkt i kalbjes së pioneve.  

Ekipi hulumtues prodhoi muone pozitive me një shpejtësi prej rreth 30% të shpejtësisë së dritës dhe i hodhi ato në aerogel silicë. Muonet e lejuara të kombinohen me elektronet në aerogel silicë duke rezultuar në formimin e muoniumit (një grimcë neutrale, e ngjashme me atomin ose pseudo atom që përbëhet nga një muon pozitiv në qendër dhe një elektron rreth muonit pozitiv). Më pas, elektronet u hoqën nga muoniumi përmes rrezatimit me lazer që dha muone pozitive të ftohur në rreth 0.002% të shpejtësisë së dritës. Pas kësaj, muonet pozitive të ftohur u përshpejtuan duke përdorur fushën elektrike të radio-frekuencës. Muonët pozitivë të përshpejtuar të krijuar në këtë mënyrë ishin të drejtuar sepse ata filluan nga afër zeros duke u bërë rreze muonike me drejtim të lartë, ndërsa u përshpejtuan gradualisht duke arritur afërsisht 4% të shpejtësisë së dritës. Ky është një moment historik në teknologjinë e përshpejtimit të muonit.  

Ekipi hulumtues planifikon të përshpejtojë përfundimisht muonet pozitive në 94% të shpejtësisë së dritës. 

*** 

Referencat:  

1. Universiteti i Oregonit. Universi i hershëm - Drejt fillimit të Tim. Në dispozicion në https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Shkenca përshpejtuese - Përplasësi i Muonit. Në dispozicion në https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Njoftim për shtyp – Ftohja dhe përshpejtimi i parë në botë i muonit. Postuar më 23 maj 2024. Në dispozicion në https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Përshpejtimi i muoneve pozitive nga një zgavër me frekuencë radio. Paraprintimi në arXiv. Dërguar më 15 tetor 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Artikujt  

Grimcat themelore Një vështrim i shpejtë. Ngatërrimi kuantik midis "Kuarkëve të lartë" në energjitë më të larta të vëzhguara  (22 Shtator 2024).  

***