Migongano ya chembe za utafiti wa "Ulimwengu wa mapema sana": Muon collider ilionyesha

Vichapuzi vya chembe hutumika kama zana za utafiti za utafiti wa ulimwengu wa mapema sana. Migongano ya Hadron (hasa ya CERN's Large Hadron Collider LHC) na migongano ya elektroni-positroni ziko mbele katika uchunguzi wa ulimwengu wa mapema sana. Majaribio ya ATLAS na CMS katika Large Hadron Collider (LHC) yalifanikiwa kugundua Higgs boson mwaka wa 2012. Muon collider inaweza kuwa na matumizi makubwa katika tafiti kama hizo hata hivyo si ukweli bado. Watafiti sasa wamefaulu kuharakisha muon chanya hadi takriban 4% ya kasi ya mwanga. Hii ni mara ya kwanza duniani kupoa na kuongeza kasi ya muon. Kama onyesho la uthibitisho wa dhana, hii inafungua njia ya utambuzi wa kichapuzi cha kwanza cha muon katika siku za usoni.  

Ulimwengu wa awali kwa sasa unachunguzwa na Darubini ya Anga ya James Webb (JWST). Kwa kujitolea pekee kwa utafiti wa ulimwengu wa mapema, JWST hufanya hivyo kwa kuchukua ishara za macho/infrared kutoka kwa nyota za mwanzo na makundi ya nyota yaliyoundwa katika Ulimwengu baada ya Mlipuko Kubwa. Hivi majuzi, JWST ilifanikiwa kugundua kundi la nyota la mbali zaidi la JADES-GS-z14-0 lililoundwa katika ulimwengu wa mapema takriban miaka milioni 290 baada ya Big Bang.  

Kuna awamu tatu za ulimwengu - enzi ya mionzi, enzi ya maada na enzi ya sasa ya nishati ya giza. Kuanzia Mlipuko Mkubwa hadi miaka 50,000 hivi, ulimwengu ulitawaliwa na miale. Hii ilifuatiwa na zama za mambo. Enzi ya galaksi ya enzi ya mambo ambayo ilidumu kutoka takriban miaka milioni 200 baada ya Mlipuko Mkubwa hadi miaka bilioni 3 baada ya Mlipuko Mkubwa ilikuwa na sifa ya kuunda miundo mikubwa kama galaksi. Kipindi hiki kwa kawaida hujulikana kama "ulimwengu wa awali" ambao JWST inasoma.  

"Ulimwengu wa mapema sana" unarejelea awamu ya mapema zaidi ya ulimwengu mara tu baada ya Mlipuko Mkubwa ulipokuwa na joto kali na kutawaliwa kabisa na mnururisho. Enzi ya Plank ni enzi ya kwanza ya enzi ya mionzi ambayo ilidumu kutoka kwa Big Bang hadi 10.^-43 s. Na joto la 10³² K, ulimwengu ulikuwa wa joto sana katika enzi hii. Enzi ya Planck ilifuatiwa na enzi za Quark, Lepton, na Nuclear; zote zilikuwa za muda mfupi lakini zenye sifa ya halijoto ya juu sana ambayo ilipungua polepole ulimwengu ulipopanuka.  

Utafiti wa moja kwa moja wa awamu hii ya kwanza ya ulimwengu hauwezekani. Kinachoweza kufanywa ni kuunda upya hali za dakika tatu za kwanza za ulimwengu baada ya Mlipuko Mkubwa katika viongeza kasi vya chembe. Data inayotokana na migongano ya chembe katika vichapuzi/vigonga hutoa dirisha lisilo la moja kwa moja kwa ulimwengu wa mapema sana.  

Colliders ni zana muhimu sana za utafiti katika fizikia ya chembe. Hizi ni mashine za duara au laini zinazoharakisha chembe hadi kasi ya juu sana karibu na kasi ya mwanga na kuziruhusu kugongana dhidi ya chembe nyingine inayotoka upande tofauti au dhidi ya lengo. Migongano hiyo hutokeza halijoto ya juu sana katika mpangilio wa matrilioni ya Kelvin (sawa na hali zilizopo katika enzi za mwanzo kabisa za enzi ya miale). Nishati ya chembe zinazogongana huongezwa kwa hivyo nishati ya mgongano ni ya juu zaidi ambayo inabadilishwa kuwa maada katika umbo la chembe kubwa zilizokuwepo katika ulimwengu wa mapema sana kulingana na ulinganifu wa nishati ya wingi. Mwingiliano kama huo kati ya chembechembe za nishati nyingi katika hali zilizokuwepo katika ulimwengu wa mapema sana hutoa madirisha kwa ulimwengu ambao haukuweza kufikiwa wa wakati huo na uchanganuzi wa bidhaa za migongano hutoa njia ya kuelewa sheria zinazoongoza za fizikia.  

Pengine, mfano maarufu zaidi wa migongano ni Cern's Large Hadron Collider (LHC) yaani, migongano mikubwa ya ukubwa ambapo hadroni (chembe za mchanganyiko zilizotengenezwa kwa quark pekee kama vile protoni na neutroni) hugongana. Ni mgongano mkubwa zaidi na wenye nguvu zaidi duniani ambao huzalisha migongano kwa nishati ya 13 TeV (teraelectronvolts) ambayo ni nishati ya juu zaidi kufikiwa na kichapuzi. Utafiti wa bidhaa za migongano umekuwa mzuri sana hadi sasa. Ugunduzi wa Higgs boson mnamo 2012 na majaribio ya ATLAS na CMS katika Large Hadron Collider (LHC) ni hatua muhimu katika sayansi.  

Kiwango cha utafiti wa mwingiliano wa chembe imedhamiriwa na nishati ya kiongeza kasi. Ili kuchunguza kwa mizani ndogo na ndogo, mtu anahitaji viongeza kasi vya nishati ya juu na ya juu. Kwa hivyo, kila wakati kuna utafutaji wa vichapuzi vya nishati ya juu kuliko vinavyopatikana sasa kwa uchunguzi kamili wa muundo wa kawaida wa fizikia ya chembe na uchunguzi katika mizani ndogo. Kwa hivyo, vichapuzi vipya vya nishati ya juu kwa sasa viko mbioni.  

Hadron Collider Kubwa ya CERN's High-Luminosity (HL - LHC), ambayo ina uwezekano wa kufanya kazi ifikapo 2029, imeundwa ili kuongeza utendaji wa LHC kwa kuongeza idadi ya migongano ili kuruhusu utafiti wa mitambo inayojulikana kwa undani zaidi. Kwa upande mwingine, Future Circular Collider (FCC) ni mradi wa CERN wenye matarajio makubwa ya kugongana chembechembe za utendaji kazi ambao ungekuwa takriban kilomita 100 katika mduara wa mita 200 chini ya ardhi na ungefuata kutoka kwa Large Hadron Collider (LHC). Ujenzi wake una uwezekano wa kuanza katika miaka ya 2030 na ungetekelezwa katika hatua mbili: FCC-ee (vipimo vya usahihi) itaanza kufanya kazi kufikia katikati ya miaka ya 2040 huku FCC-hh (nishati ya juu) itaanza kufanya kazi katika miaka ya 2070. FCC inapaswa kuchunguza kuwepo kwa chembe mpya, nzito zaidi, zisizoweza kufikiwa na LHC na kuwepo kwa chembe nyepesi zinazoingiliana kwa udhaifu sana na chembe za Modeli Sanifu.  

Kwa hivyo, kundi moja la chembe zinazogongana kwenye mgongano ni hadroni kama vile protoni na viini ambavyo ni chembe za mchanganyiko zilizoundwa na quarks. Hizi ni nzito na huruhusu watafiti kufikia nguvu nyingi kama ilivyo kwa LHC. Kundi jingine ni la leptoni kama vile elektroni na positroni. Chembe hizi pia zinaweza kugongana kama ilivyo kwa Large Electron-Positron Collider (LEPC) na SuperKEKB collider. Suala moja kuu la mgongano wa lepton ya elektroni-positron ni upotezaji mkubwa wa nishati kwa sababu ya mionzi ya synchrotron wakati chembe zinalazimishwa kwenye obiti ya duara ambayo inaweza kushinda kwa kutumia muons. Kama elektroni, muons ni chembe ya msingi lakini ni nzito mara 200 kuliko elektroni kwa hivyo upotezaji wa nishati kwa sababu ya mionzi ya synchrotron.  

Tofauti na migongano ya hadron, kigonga cha muon kinaweza kukimbia kwa kutumia nishati kidogo ambayo hufanya muon 10 wa TeV kugongana sambamba na 100 TeV hadron collider. Kwa hivyo, migongano ya muon inaweza kuwa muhimu zaidi baada ya Mwangaza wa Juu Large Hadron Collider (HL - LHC) kwa majaribio ya fizikia ya nishati ya juu dhidi ya FCC-ee, au CLIC (Compact Linear Collider) au ILC (International Linear Collider). Kwa kuzingatia matukio ya muda mrefu ya migongano yenye nishati nyingi siku zijazo, migongano ya muon inaweza kuwa zana inayoweza kutumika tu ya utafiti katika fizikia ya chembe kwa miongo mitatu ijayo. Muons inaweza kuwa muhimu kwa kipimo sahihi zaidi cha wakati wa ajabu wa sumaku (g-2) na dakika ya dipole ya umeme (EDM) kuelekea uchunguzi zaidi ya muundo wa kawaida. Teknolojia ya muon ina matumizi pia katika maeneo kadhaa ya utafiti wa taaluma mbalimbali.  

Hata hivyo, kuna changamoto za kiufundi katika kutambua migongano ya muon. Tofauti na hadroni na elektroni ambazo haziozi, muoni huwa na maisha mafupi ya mikrose 2.2 tu kabla ya kuoza na kuwa elektroni na neutrino. Lakini maisha ya muon huongezeka huku nishati ikimaanisha kuoza kwake kunaweza kuahirishwa ikiwa itaharakishwa haraka. Lakini kuharakisha muons ni ngumu kitaalamu kwa sababu hawana mwelekeo au kasi sawa.  

Hivi majuzi, watafiti wa Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) wamefaulu kushinda changamoto za teknolojia ya muon. Walifanikiwa kuharakisha muon chanya hadi takriban 4% ya kasi ya mwanga kwa mara ya kwanza ulimwenguni. Hili lilikuwa onyesho la kwanza la kupoeza na kuongeza kasi ya muon chanya baada ya miaka ya maendeleo endelevu ya teknolojia ya kupoeza na kuongeza kasi.  

Kiongeza kasi cha protoni katika J-PARC huzalisha takriban muon milioni 100 kwa sekunde. Hii inafanywa kwa kuongeza kasi ya protoni karibu na kasi ya mwanga na kuruhusu kugonga grafiti ili kuunda pions. Muons huundwa kama bidhaa ya kuoza ya pions.  

Timu ya utafiti ilizalisha muons chanya kuwa na kasi ya karibu 30% ya kasi ya mwanga na risasi yao katika silika aerogel. Muon zinazoruhusiwa kuchanganyika na elektroni katika ngeli ya silika na kusababisha kuundwa kwa muonium (chembe isiyo na upande, inayofanana na atomi au atomi bandia inayojumuisha muon chanya katikati na elektroni karibu na muon chanya). Baadaye, elektroni ziliondolewa kutoka kwa muonium kwa njia ya miale na leza ambayo ilitoa muon chanya kilichopozwa hadi karibu 0.002% ya kasi ya mwanga. Baada ya hayo, muons chanya kilichopozwa kiliharakishwa kwa kutumia uwanja wa umeme wa redio-frequency. Muon chanya zilizoharakishwa zilizoundwa hivi zilikuwa za mwelekeo kwa sababu zilianza kutoka karibu na sufuri na kuwa miale ya muon yenye mwelekeo mwingi huku zikiharakishwa hatua kwa hatua kufikia takriban 4% ya kasi ya mwanga. Hii ni hatua muhimu katika teknolojia ya kuongeza kasi ya muon.  

Timu ya utafiti inapanga hatimaye kuharakisha muons chanya hadi 94% ya kasi ya mwanga. 

*** 

Marejeo:  

1. Chuo Kikuu cha Oregon. Ulimwengu wa Mapema - Kuelekea Mwanzo wa Tim. Inapatikana kwa https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Sayansi inayoongeza kasi - Mgongano wa Muon. Inapatikana kwa https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Taarifa kwa vyombo vya habari – kupoeza kwa mara ya kwanza duniani na kuongeza kasi ya muon. Iliwekwa mnamo 23 Mei 2024. Inapatikana kwa https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Kuongeza kasi ya muons chanya na cavity ya redio-frequency. Chapisha mapema kwa arXiv. Iliwasilishwa tarehe 15 Oktoba 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Related makala  

Chembe za msingi Mwonekano wa haraka. Kuunganishwa kwa Quantum kati ya "Quarks za Juu" kwa Nguvu za Juu Zaidi Zinazozingatiwa.  (22 Septemba 2024).  

***