מתנגשי חלקיקים לחקר "יקום מוקדם מאוד": הודגם מתנגש מואון

מאיצי חלקיקים משמשים ככלי מחקר לחקר היקום המוקדם מאוד. מתנגדי ההדרונים (במיוחד LHC Large Hadron Collider של CERN) ומתנגדי אלקטרונים-פוזיטרון נמצאים בחזית בחקר היקום המוקדם מאוד. ניסויי ה-ATLAS וה-CMS במאיץ ההדרונים הגדול (LHC) הצליחו בגילוי בוזון היגס בשנת 2012. מתנגש מואון יכול להועיל רבות במחקרים כאלה, אולם הוא עדיין לא מציאותי. חוקרים הצליחו כעת להאיץ מיאון חיובי לכ-4% ממהירות האור. זהו הקירור וההאצה הראשונים בעולם של מיאון. כהוכחה של הוכחה לקונספט, זה סולל את הדרך למימוש מאיץ המיאון הראשון בעתיד הקרוב.  

היקום הקדום נחקר כעת על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST). המוקדש בלעדית לחקר היקום המוקדם, JWST עושה זאת על ידי קליטת אותות אופטיים/אינפרא אדום מהכוכבים והגלקסיות המוקדמות שנוצרו ביקום לאחר המפץ הגדול. לאחרונה, JWST גילה בהצלחה את הגלקסיה הרחוקה ביותר JADES-GS-z14-0 שנוצרה ביקום המוקדם כ-290 מיליון שנים לאחר המפץ הגדול.  

ישנם שלושה שלבים של היקום - עידן הקרינה, עידן החומר ועידן האנרגיה האפלה הנוכחית. מהמפץ הגדול ועד כ-50,000 שנה, היקום נשלט על ידי קרינה. אחריו הגיע עידן העניין. התקופה הגלקטית של עידן החומר שנמשכה מכ-200 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול ועד כ-3 מיליארד שנים לאחר המפץ הגדול, התאפיינה בהיווצרות מבנים גדולים כמו גלקסיות. עידן זה מכונה בדרך כלל "יקום מוקדם" ש-JWST חוקר.  

"יקום מוקדם מאוד" מתייחס לשלב הקדום ביותר של היקום זמן קצר לאחר המפץ הגדול, כאשר היה חם מאוד ונשלט לחלוטין על ידי הקרינה. עידן הפלנק הוא העידן הראשון של עידן הקרינה שנמשך מהמפץ הגדול עד 10^-43 ס. עם טמפרטורה של 10³² ק, היקום היה סופר חם בתקופה הזו. אחרי עידן פלאנק הגיעו תקופות הקווארק, לפטון והגרעין; כולם היו קצרי מועד אך אופיינו בטמפרטורות גבוהות במיוחד שהצטמצמו בהדרגה עם התרחבות היקום.  

מחקר ישיר של שלב מוקדם זה של היקום אינו אפשרי. מה שאפשר לעשות הוא לשחזר את התנאים של שלוש הדקות הראשונות של היקום לאחר המפץ הגדול במאיצי החלקיקים. הנתונים הנוצרים מהתנגשויות של החלקיקים במאיצים/מתנגשים מציעים חלון עקיף ליקום מוקדם מאוד.  

מתנגשים הם כלי מחקר חשובים מאוד בפיזיקה של חלקיקים. אלו מכונות מעגליות או ליניאריות שמאיצות חלקיקים למהירויות גבוהות מאוד הקרובות למהירות האור ומאפשרות להם להתנגש בחלקיק אחר המגיע מכיוון הפוך או כנגד מטרה. ההתנגשויות יוצרות טמפרטורות גבוהות ביותר בסדר גודל של טריליוני קלווין (בדומה לתנאים שהיו בתקופות המוקדמות ביותר של עידן הקרינה). האנרגיות של חלקיקים מתנגשים מתווספות ומכאן שאנרגיית ההתנגשות גבוהה יותר אשר הופכת לחומר בצורה של חלקיקים מסיביים שהיו קיימים ביקום המוקדם מאוד לפי סימטריית מסה-אנרגיה. אינטראקציות כאלה בין חלקיקי אנרגיה גבוהה בתנאים שהתקיימו ביקום המוקדם מאוד נותנות חלונות לעולם הלא נגיש של אז וניתוח תוצרי הלוואי של התנגשויות מציע דרך להבין את חוקי הפיזיקה השולטים.  

אולי, הדוגמה המפורסמת ביותר של מתנגשים היא מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) של CERN, כלומר, מתנגשים גדולים שבהם מתנגשים האדרונים (חלקיקים מרוכבים העשויים מקווארקים בלבד כגון פרוטונים ונויטרונים). זהו המתנגש הגדול והחזק ביותר בעולם שיוצר התנגשויות באנרגיה של 13 TeV (טראלקטרון-וולט) שהיא האנרגיה הגבוהה ביותר אליה מגיע מאיץ. חקר תוצרי לוואי של ההתנגשויות היה מעשיר מאוד עד כה. הגילוי של בוזון היגס ב-2012 על ידי ניסויי ATLAS ו-CMS במאיץ ההדרונים הגדול (LHC) הוא אבן דרך במדע.  

סולם המחקר של אינטראקציה בין חלקיקים נקבע על ידי האנרגיה של המאיץ. כדי לחקור בהיקפים קטנים יותר ויותר, יש צורך במאיצים בעלי אנרגיה גבוהה יותר ויותר. אז, תמיד יש חיפוש אחר מאיצי אנרגיה גבוהים יותר מהזמין כיום לחקירה מלאה של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים וחקירה בקנה מידה קטן יותר. לכן, מספר מאיצים חדשים בעלי אנרגיה גבוהה יותר נמצאים כעת בצנרת.  

מאיץ ההדרונים הגדול (HL – LHC) של CERN, שצפוי להיות פעיל עד 2029, נועד להגביר את הביצועים של LHC על ידי הגדלת מספר ההתנגשויות כדי לאפשר לימוד של מנגנונים ידועים בפירוט רב יותר. מצד שני, Future Circular Collider (FCC) הוא הפרויקט השאפתני ביותר של מתנגדי חלקיקים עם ביצועים גבוהים יותר של CERN, שיהיה במרחק של כ-100 ק"מ בהיקף של 200 מטרים מתחת לפני הקרקע ויבוא בעקבות מאיץ ההדרונים הגדול (LHC). בנייתו צפויה להתחיל בשנות ה-2030 של המאה ה-2040 ותיושם בשני שלבים: FCC-ee (מדידות דיוק) יפעלו עד אמצע שנות ה-2070 בעוד ש-FCC-hh (אנרגיה גבוהה) יתחיל לפעול בשנות ה-XNUMX. FCC צריך לחקור את קיומם של חלקיקים חדשים וכבדים יותר, מעבר להישג ידו של ה-LHC ואת קיומם של חלקיקים קלים יותר המקיימים אינטראקציה חלשה מאוד עם חלקיקי דגם Standard.  

לפיכך, קבוצה אחת של חלקיקים שמתנגשים בקולידר היא הדרונים כגון פרוטונים וגרעינים שהם חלקיקים מרוכבים העשויים מקווארקים. אלו כבדים ומאפשרים לחוקרים להגיע לאנרגיות גבוהות כמו במקרה של LHC. קבוצה אחרת היא של לפטונים כמו אלקטרונים ופוזיטרונים. חלקיקים אלה יכולים גם להתנגש כמו במקרה של מתנגש אלקטרוני-פוזיטרון גדול (LEPC) ו-SuperKEKB. בעיה מרכזית אחת עם מתנגש הלפטונים מבוסס אלקטרונים-פוזיטרון היא אובדן אנרגיה גדול עקב קרינת סינכרוטרונים כאשר חלקיקים נאלצים במסלול מעגלי שניתן להתגבר עליהם באמצעות מיואונים. כמו אלקטרונים, מיואונים הם חלקיקים אלמנטריים אך הם כבדים פי 200 מאלקטרונים ומכאן הרבה פחות אובדן אנרגיה עקב קרינת סינכרוטרונים.  

שלא כמו מתנגשי הארון, מתנגש מיאון יכול לפעול תוך שימוש בפחות אנרגיה, מה שהופך מתנגש מיאון של 10 TeV שווה ערך עם מתנגש הארון של 100 TeV. לכן, מתנגדי מיאון עשויים להפוך לרלוונטיים יותר לאחר High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) עבור ניסויים בפיזיקה באנרגיה גבוהה מול FCC-ee, או CLIC (Compact Linear Collider) או ILC (International Linear Collider). בהתחשב בלוחות זמנים ממושכים של מתנגשים עתידיים באנרגיה גבוהה, מתנגשי מיאון יכולים להיות כלי מחקר פוטנציאלי בלבד בפיסיקה של חלקיקים במשך שלושת העשורים הבאים. מיואונים יכולים להיות שימושיים למדידה מדוייקת במיוחד של מומנט מגנטי חריג (g-2) ומומנט דיפול חשמלי (EDM) לקראת חקר מעבר למודל הסטנדרטי. לטכנולוגיית המיון יש יישומים גם במספר תחומי מחקר בין-תחומיים.  

עם זאת, ישנם אתגרים טכניים במימוש מתנגשי מיאון. שלא כמו האדרונים ואלקטרונים שאינם מתכלים, למיואונים יש אורך חיים קצר של 2.2 מיקרו-שניות בלבד לפני שהוא מתפרק לאלקטרון וניטרינו. אבל משך החיים של מיאון גדל עם האנרגיה, מה שמרמז על ריקבון שלו יכול להידחות אם הוא מואץ במהירות. אבל האצת מיואונים היא קשה מבחינה טכנית מכיוון שאין להם אותו כיוון או מהירות.  

לאחרונה, החוקרים ב-J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) הצליחו להתגבר על אתגרי הטכנולוגיה של מיאון. הם הצליחו להאיץ מיאון חיובי לכ-4% ממהירות האור לראשונה בעולם. זו הייתה הדגמה ראשונה של קירור והאצה של מיאון חיובי לאחר שנים של פיתוח מתמשך של טכנולוגיות קירור והאצה.  

מאיץ הפרוטונים ב-J-PARC מייצר כ-100 מיליון מיאון בשנייה. זה נעשה על ידי האצת פרוטונים קרוב למהירות האור ומאפשרים לו לפגוע בגרפיט ליצירת פיונים. מיואונים נוצרים כתוצר ריקבון של פיונים.  

צוות המחקר ייצר מיואונים חיוביים בעלי מהירות של כ-30% ממהירות האור וירה אותם לתוך אירוג'ל סיליקה. המיואונים אפשרו להתחבר עם אלקטרונים באווירג'ל הסיליקה וכתוצאה מכך נוצר מווניום (חלקיק נייטרלי דמוי אטום או אטום פסאודו המורכב ממיאון חיובי במרכז ואלקטרון מסביב למיאון החיובי). לאחר מכן, אלקטרונים הופרדו ממווניום באמצעות קרינה בלייזר שהעניקה מיואונים חיוביים שהתקררו בסביבות 0.002% ממהירות האור. לאחר מכן, המואונים החיוביים המקוררים הואצו באמצעות שדה חשמלי בתדר רדיו. המיואונים החיוביים המואצים שנוצרו כך היו כיווניים מכיוון שהם התחילו כמעט מאפס והפכו לקרן מיאון בעלת כיווניות גבוהה, כשהם הואצו בהדרגה והגיעו לכ-4% ממהירות האור. זוהי אבן דרך בטכנולוגיית האצת מיאון.  

צוות המחקר מתכנן בסופו של דבר להאיץ מיואונים חיוביים ל-94% ממהירות האור. 

*** 

הפניות:  

1. אוניברסיטת אורגון. היקום המוקדם - לקראת תחילתו של טים. זמין ב https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. מאיץ מדע - מתנגש מואון. זמין בכתובת https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. הודעה לעיתונות - הקירור וההאצה הראשונים בעולם של מיאון. פורסם ב-23 במאי 2024. זמין ב https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. האצה של מיואונים חיוביים על ידי חלל בתדר רדיו. הדפסה מוקדמת ב-arXiv. הוגש ב-15 באוקטובר 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

מאמרים קשורים  

חלקיקים בסיסיים מבט מהיר. הסתבכות קוונטית בין "קווארקים עליונים" באנרגיות הגבוהות ביותר שנצפו  (22 ספטמבר 2024).  

***