Els acceleradors de partícules s'utilitzen com a eines de recerca per a l'estudi de l'univers molt primerenc. Els col·lisionadors d'hadrons (especialment el Large Hadron Collider LHC del CERN) i els col·lisionadors electron-positrons estan al capdavant en l'exploració de l'univers molt primerenc. Els experiments ATLAS i CMS al Large Hadron Collider (LHC) van tenir èxit en descobrir el bosó de Higgs el 2012. El col·lisionador de muons podria ser d'una utilitat considerable en aquests estudis, però encara no és una realitat. Els investigadors ara han aconseguit accelerar un muó positiu a aproximadament un 4% de la velocitat de la llum. Aquest és el primer refredament i acceleració de muó del món. Com a demostració de prova de concepte, això obre el camí per a la realització del primer accelerador de muons en un futur proper.
El telescopi espacial James Webb (JWST) està estudiant l'univers primerenc. Dedicat exclusivament a l'estudi de l'univers primerenc, JWST ho fa captant senyals òptics/infrarojos de les primeres estrelles i galàxies formades a l'Univers després del Big Bang. Recentment, JWST va descobrir amb èxit la galàxia més llunyana JADES-GS-z14-0 formada a l'univers primerenc uns 290 milions d'anys després del Big Bang.
Hi ha tres fases de l'univers: l'era de la radiació, l'era de la matèria i l'era actual de l'energia fosca. Des del Big Bang fins a uns 50,000 anys, l'univers va estar dominat per la radiació. Això va ser seguit per l'era de la matèria. L'època galàctica de la matèria, que va durar des d'uns 200 milions d'anys després del Big Bang fins a uns 3 milions d'anys després del Big Bang, es va caracteritzar per la formació de grans estructures com les galàxies. Aquesta època se sol referir com a "univers primerenc" que estudia JWST.
"Univers molt primerenc" es refereix a la fase més primerenca de l'univers poc després del Big Bang quan feia molta calor i estava dominat completament per la radiació. L'època Plank és la primera època de l'era de la radiació que va durar des del Big Bang fins al 10-43 s. Amb una temperatura de 1032 K, l'univers estava súper calent en aquesta època. L'època Planck va ser seguida per les èpoques Quark, Lepton i Nuclear; tots van ser de curta durada però es van caracteritzar per temperatures extremadament altes que es van reduir gradualment a mesura que l'univers s'expandia.
L'estudi directe d'aquesta fase més primerenca de l'univers no és possible. El que es pot fer és recrear les condicions dels tres primers minuts de l'univers després del Big Bang en els acceleradors de partícules. Les dades generades per les col·lisions de les partícules en acceleradors/colisionadors ofereixen una finestra indirecta a l'univers molt primerenc.
Els col·lisionadors són eines de recerca molt importants en la física de partícules. Són màquines circulars o lineals que acceleren les partícules a velocitats molt altes properes a la velocitat de la llum i permeten que xoquin contra una altra partícula que ve de direcció oposada o contra un objectiu. Les col·lisions generen temperatures extremadament elevades de l'ordre de bilions de Kelvin (similars a les condicions presents en les èpoques més primerenques de l'era de la radiació). S'afegeixen les energies de les partícules en col·lisió, per tant, l'energia de col·lisió és més alta que es transforma en matèria en forma de partícules massives que existien a l'univers molt primerenc segons la simetria massa-energia. Aquestes interaccions entre partícules d'alta energia en les condicions que existien a l'univers molt primerenc donen finestres al món d'aquella època, d'altra manera inaccessible, i l'anàlisi dels subproductes de les col·lisions ofereix una manera d'entendre les lleis regents de la física.
Potser, l'exemple més famós de col·lisionadors és el Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN, és a dir, col·lisionadors de gran mida on xoquen hadrons (partícules compostes només de quarks, com ara protons i neutrons). És el col·lisionador més gran i potent del món que genera col·lisions amb una energia de 13 TeV (teraelectronvolts) que és l'energia més alta que aconsegueix un accelerador. L'estudi dels subproductes de les col·lisions ha estat molt enriquidor fins ara. El descobriment del bosó de Higgs l'any 2012 pels experiments ATLAS i CMS al Large Hadron Collider (LHC) és una fita en la ciència.
L'escala d'estudi de la interacció de partícules està determinada per l'energia de l'accelerador. Per explorar a escala cada cop més petita, es necessiten acceleradors d'energia cada cop més alta. Per tant, sempre hi ha una recerca d'acceleradors d'energia més alta que els disponibles actualment per a l'exploració completa del model estàndard de la física de partícules i la investigació a escales més petites. Per tant, actualment hi ha en marxa diversos nous acceleradors de major energia.
El Gran Col·lisionador d'Hadrons d'Alta Luminositat (HL – LHC) del CERN, que és probable que estigui en funcionament el 2029, està dissenyat per augmentar el rendiment de l'LHC augmentant el nombre de col·lisions per permetre l'estudi dels mecanismes coneguts amb més detall. D'altra banda, Future Circular Collider (FCC) és el projecte molt ambiciós de col·lisionadors de partícules de major rendiment del CERN que tindria uns 100 km de circumferència a 200 metres sota terra i que seguiria al Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC). És probable que la seva construcció comenci a la dècada de 2030 i s'implementaria en dues etapes: FCC-ee (mesures de precisió) estarà operativa a mitjans de la dècada de 2040 mentre que FCC-hh (alta energia) començarà a operar a la dècada de 2070. La FCC hauria d'explorar l'existència de noves partícules més pesades, fora de l'abast de l'LHC i l'existència de partícules més lleugeres que interaccionen molt feblement amb les partícules del model estàndard.
Així, un grup de partícules que xoquen en un col·lisionador són els hadrons com els protons i els nuclis, que són partícules compostes fetes de quarks. Aquests són pesats i permeten als investigadors arribar a altes energies com en el cas de l'LHC. Un altre grup és de leptons com els electrons i els positrons. Aquestes partícules també poden xocar com en el cas del col·lisionador gran electron-positron (LEPC) i el col·lisionador SuperKEKB. Un dels principals problemes amb el col·lisionador de leptons basat en electrons-positrons és la gran pèrdua d'energia a causa de la radiació de sincrotró quan les partícules són forçades en òrbita circular que es poden superar mitjançant l'ús de muons. Igual que els electrons, els muons són partícules elementals, però són 200 vegades més pesats que els electrons, per tant, la pèrdua d'energia és molt menor a causa de la radiació de sincrotró.
A diferència dels col·lisionadors d'hadrons, un col·lisionador de muons pot funcionar utilitzant menys energia, cosa que fa que un col·lisionador de muons de 10 TeV estigui a la par amb un col·lisionador d'hadrons de 100 TeV. Per tant, els col·lisionadors de muons poden ser més rellevants després del col·lisionador d'hadrons grans d'alta lluminositat (HL - LHC) per a experiments de física d'alta energia respecte a FCC-ee, o CLIC (Colisionador lineal compacte) o ILC (Colisionador lineal internacional). Ateses les llargues línies de temps dels futurs col·lisionadors d'alta energia, els col·lisionadors de muons podrien ser només una eina potencial d'investigació en física de partícules durant les properes tres dècades. Els muons poden ser útils per a la mesura ultra precisa del moment magnètic anòmal (g-2) i del moment dipolar elèctric (EDM) cap a l'exploració més enllà del model estàndard. La tecnologia dels muons té aplicacions també en diverses àrees de recerca interdisciplinàries.
No obstant això, hi ha reptes tècnics per realitzar col·lisionadors de muons. A diferència dels hadrons i els electrons que no decauen, els muons tenen una vida curta de només 2.2 microsegons abans de desintegrar-se en un electró i neutrins. Però la vida útil del muó augmenta amb l'energia que implica que la seva descomposició es pot posposar si s'accelera ràpidament. Però accelerar muons és tècnicament difícil perquè no tenen la mateixa direcció ni la mateixa velocitat.
Recentment, els investigadors del Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) han aconseguit superar els reptes de la tecnologia dels muons. Van aconseguir accelerar un muó positiu a aproximadament el 4% de la velocitat de la llum per primera vegada al món. Aquesta va ser la primera demostració de refredament i acceleració del muó positiu després d'anys de desenvolupament continu de tecnologies de refrigeració i acceleració.
L'accelerador de protons de J-PARC produeix aproximadament 100 milions de muons per segon. Això es fa accelerant els protons a prop de la velocitat de la llum i permetent-li colpejar el grafit per formar pions. Els muons es formen com a producte de desintegració dels pions.
L'equip d'investigació va produir muons positius amb una velocitat d'aproximadament un 30% de la velocitat de la llum i els va disparar en aerogel de sílice. Els muons permeten combinar-se amb els electrons de l'aerogel de sílice donant lloc a la formació de muoni (una partícula neutra semblant a un àtom o pseudo àtom que consisteix en un muó positiu al centre i un electró al voltant del muó positiu). Posteriorment, es van treure electrons del muoni mitjançant la irradiació amb làser que va donar muons positius refredats al voltant del 0.002% de la velocitat de la llum. Després d'això, els muons positius refrigerats es van accelerar mitjançant un camp elèctric de radiofreqüència. Els muons positius accelerats així creats eren direccionals perquè van començar des de prop de zero convertint-se en un feix de muons molt direccional a mesura que s'acceleraven gradualment assolint aproximadament el 4% de la velocitat de la llum. Aquesta és una fita en la tecnologia d'acceleració de muons.
L'equip d'investigació té previst accelerar els muons positius fins al 94% de la velocitat de la llum.
***
Referències:
- Universitat d'Oregon. L'univers primerenc: cap al començament de Tim. Disponible a https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Acceleració de la ciència - Col·lisionador de muons. Disponible a https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Comunicat de premsa: el primer refredament i acceleració del muó del món. Publicat el 23 de maig de 2024. Disponible a https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Acceleració de muons positius per una cavitat de radiofreqüència. Preimpressió a arXiv. Enviat el 15 d'octubre de 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Articles relacionats
Partícules fonamentals Una mirada ràpida. Enredament quàntic entre "Quarks superiors" a les energies més altes observades (22 2024 de setembre).
***
