تُستخدم مسرعات الجسيمات كأدوات بحثية لدراسة الكون المبكر جدًا. وتعتبر مصادمات الهدرونات (خاصة مصادم الهدرونات الكبير التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) ومصادمات الإلكترونات والبوزيترونات في طليعة استكشاف الكون المبكر جدًا. نجحت تجارب ATLAS وCMS في مصادم الهدرونات الكبير (LHC) في اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012. يمكن أن يكون لمصادم الميون فائدة كبيرة في مثل هذه الدراسات، إلا أنه ليس حقيقة واقعة بعد. نجح الباحثون الآن في تسريع ميون موجب إلى ما يقرب من 4٪ من سرعة الضوء. هذه هي أول عملية تبريد وتسريع للميون في العالم. وكإثبات للمفهوم، يمهد هذا الطريق لتحقيق أول مسرع ميون في المستقبل القريب.
يدرس تلسكوب جيمس ويب الفضائي حاليًا الكون المبكر. ويتخصص تلسكوب جيمس ويب الفضائي حصريًا في دراسة الكون المبكر، وذلك من خلال التقاط الإشارات الضوئية/الأشعة تحت الحمراء من النجوم والمجرات المبكرة التي تشكلت في الكون بعد الانفجار العظيم. ومؤخرًا، نجح تلسكوب جيمس ويب الفضائي في اكتشاف أبعد مجرة JADES-GS-z14-0 والتي تشكلت في الكون المبكر بعد حوالي 290 مليون سنة من الانفجار العظيم.
هناك ثلاث مراحل للكون - عصر الإشعاع وعصر المادة وعصر الطاقة المظلمة الحالي. من الانفجار العظيم إلى حوالي 50,000 سنة، كان الكون يهيمن عليه الإشعاع. أعقب ذلك عصر المادة. تميز العصر المجري لعصر المادة الذي استمر من حوالي 200 مليون سنة بعد الانفجار العظيم إلى حوالي 3 مليارات سنة بعد الانفجار العظيم بتكوين هياكل كبيرة مثل المجرات. يشار إلى هذا العصر عادةً باسم "الكون المبكر" الذي يدرسه تلسكوب جيمس ويب.
يشير مصطلح "الكون المبكر جدًا" إلى المرحلة الأولى من عمر الكون بعد الانفجار العظيم مباشرة عندما كان شديد الحرارة وكان يهيمن عليه الإشعاع بالكامل. عصر بلانك هو العصر الأول من عصر الإشعاع الذي استمر من الانفجار العظيم إلى 10-43 س. بدرجة حرارة 1032 ك، كان الكون شديد الحرارة في هذا العصر. أعقب عصر بلانك عصر الكوارك والليبتون والعصور النووية؛ وكانت جميعها قصيرة العمر ولكنها تميزت بدرجات حرارة عالية للغاية انخفضت تدريجيًا مع توسع الكون.
إن الدراسة المباشرة لهذه المرحلة المبكرة من عمر الكون غير ممكنة. وما يمكن عمله هو إعادة خلق الظروف التي سادت في الدقائق الثلاث الأولى من عمر الكون بعد الانفجار العظيم في مسرعات الجسيمات. وتوفر البيانات الناتجة عن تصادم الجسيمات في المسرعات/المصادمات نافذة غير مباشرة على الكون المبكر للغاية.
تعتبر المصادمات من الأدوات البحثية المهمة جدًا في فيزياء الجسيمات. وهي عبارة عن آلات دائرية أو خطية تعمل على تسريع الجسيمات إلى سرعات عالية جدًا تقترب من سرعة الضوء وتسمح لها بالتصادم مع جسيم آخر قادم من الاتجاه المعاكس أو مع هدف. تولد التصادمات درجات حرارة عالية للغاية في حدود تريليونات كلفن (على غرار الظروف الموجودة في أقدم عصور عصر الإشعاع). تضاف طاقات الجسيمات المتصادمة وبالتالي تكون طاقة التصادم أعلى والتي تتحول إلى مادة في شكل جسيمات ضخمة كانت موجودة في الكون المبكر جدًا وفقًا لتماثل الكتلة والطاقة. مثل هذه التفاعلات بين الجسيمات عالية الطاقة في الظروف التي كانت موجودة في الكون المبكر جدًا تمنح نوافذ على عالم ذلك الوقت الذي كان من المستحيل الوصول إليه بطريقة أخرى، وتحليل المنتجات الثانوية للتصادمات يوفر طريقة لفهم القوانين الحاكمة للفيزياء.
ولعل أشهر مثال على المصادمات هو مصادم الهدرونات الكبير التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (سيرن)، وهو مصادم ضخم الحجم تتصادم فيه الهدرونات (جسيمات مركبة مكونة من الكواركات فقط مثل البروتونات والنيوترونات). وهو أكبر وأقوى مصادم في العالم يولد تصادمات عند طاقة 13 تيرا إلكترون فولت، وهي أعلى طاقة يصل إليها المسرع. وكانت دراسة النواتج الثانوية للتصادمات مثرية للغاية حتى الآن. وكان اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012 من خلال تجارب أطلس وسي إم إس في مصادم الهدرونات الكبير علامة فارقة في مجال العلوم.
إن مقياس دراسة تفاعل الجسيمات يتحدد بطاقة المعجل. وللاستكشاف على نطاقات أصغر فأصغر، يتطلب الأمر مسرعات ذات طاقة أعلى فأعلى. لذا، هناك دائمًا سعي إلى مسرعات ذات طاقة أعلى من تلك المتوفرة حاليًا لاستكشاف النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات بالكامل والتحقيق على نطاقات أصغر. لذلك، هناك العديد من المسرعات الجديدة ذات الطاقة الأعلى قيد الإعداد حاليًا.
إن مصادم الهدرونات الكبير عالي السطوع (HL – LHC) التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، والذي من المرجح أن يبدأ تشغيله بحلول عام 2029، مصمم لزيادة أداء مصادم الهدرونات الكبير من خلال زيادة عدد التصادمات للسماح بدراسة الآليات المعروفة بمزيد من التفصيل. من ناحية أخرى، فإن المصادم الدائري المستقبلي (FCC) هو مشروع مصادمات الجسيمات عالي الأداء الطموح للغاية التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، والذي سيكون محيطه حوالي 100 كيلومتر على عمق 200 متر تحت الأرض وسيستمر بعد مصادم الهدرونات الكبير (LHC). ومن المرجح أن يبدأ بناءه في ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين وسيتم تنفيذه على مرحلتين: سيبدأ مصادم FCC-ee (قياسات دقيقة) العمل بحلول منتصف أربعينيات القرن الحادي والعشرين بينما سيبدأ مصادم FCC-hh (طاقة عالية) العمل في سبعينيات القرن الحادي والعشرين. ومن المفترض أن يستكشف مصادم FCC وجود جزيئات جديدة أثقل، خارج نطاق مصادم الهدرونات الكبير ووجود جزيئات أخف تتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع جزيئات النموذج القياسي.
وبالتالي، فإن إحدى مجموعات الجسيمات التي تصطدم في المصادم هي الهدرونات مثل البروتونات والنوى التي هي جسيمات مركبة مكونة من الكواركات. وهي ثقيلة وتسمح للباحثين بالوصول إلى طاقات عالية كما في حالة LHC. المجموعة الأخرى هي من اللبتونات مثل الإلكترونات والبوزيترونات. يمكن أن تصطدم هذه الجسيمات أيضًا كما في حالة مصادم الإلكترون والبوزيترون الكبير (LEPC) ومصادم SuperKEKB. إحدى المشكلات الرئيسية في مصادم اللبتون القائم على الإلكترون والبوزيترون هي فقدان الطاقة الكبير بسبب إشعاع السنكروترون عندما يتم إجبار الجسيمات في مدار دائري يمكن التغلب عليه باستخدام الميونات. مثل الإلكترونات، الميونات هي جسيمات أولية ولكنها أثقل من الإلكترونات بمقدار 200 مرة وبالتالي فإن فقدان الطاقة بسبب إشعاع السنكروترون أقل بكثير.
على عكس مصادمات الهدرونات، يمكن لمصادم الميون أن يعمل باستخدام طاقة أقل مما يجعل مصادم الميون بقوة 10 تيرا إلكترون فولت على قدم المساواة مع مصادم الهدرونات بقوة 100 تيرا إلكترون فولت. لذلك، قد تصبح مصادمات الميون أكثر أهمية بعد مصادم الهدرونات الكبير عالي السطوع (HL – LHC) لتجارب الفيزياء عالية الطاقة مقابل FCC-ee، أو CLIC (مصادم خطي مضغوط) أو ILC (المصادم الخطي الدولي). نظرًا للخطوط الزمنية الطويلة للمصادمات عالية الطاقة في المستقبل، يمكن أن تكون مصادمات الميون أداة بحث محتملة فقط في فيزياء الجسيمات على مدى العقود الثلاثة القادمة. يمكن أن تكون الميونات مفيدة للقياس الدقيق للغاية للعزم المغناطيسي الشاذ (g-2) والعزم ثنائي القطب الكهربائي (EDM) نحو الاستكشاف خارج النموذج القياسي. كما أن لتكنولوجيا الميون تطبيقات في العديد من مجالات البحث متعددة التخصصات.
ولكن هناك تحديات تقنية تواجه تحقيق تصادمات الميون. فعلى عكس الهدرونات والإلكترونات التي لا تتحلل، فإن عمر الميون قصير لا يتجاوز 2.2 ميكروثانية قبل أن يتحلل إلى إلكترون ونيوترينو. ولكن عمر الميون يزداد مع زيادة الطاقة، مما يعني أنه يمكن تأجيل تحلله إذا تم تسريعه بسرعة. ولكن تسريع الميونات أمر صعب من الناحية التقنية لأنها لا تمتلك نفس الاتجاه أو السرعة.
نجح الباحثون في مجمع أبحاث مسرعات البروتونات الياباني (J-PARC) مؤخرًا في التغلب على تحديات تقنية الميون. فقد نجحوا في تسريع ميون موجب إلى ما يقرب من 4% من سرعة الضوء لأول مرة في العالم. وكان هذا أول عرض لتبريد وتسريع الميون الموجب بعد سنوات من التطوير المستمر لتقنيات التبريد والتسريع.
ينتج مسرع البروتون في J-PARC ما يقرب من 100 مليون ميون في الثانية. ويتم ذلك عن طريق تسريع البروتونات إلى سرعة تقترب من سرعة الضوء والسماح لها بالاصطدام بالجرافيت لتكوين البيونات. تتشكل الميونات كمنتج اضمحلال للبيونات.
تمكن فريق البحث من إنتاج ميونات موجبة بسرعة تقارب 30% من سرعة الضوء، ثم أطلقها في هلام السيليكا الهوائي. وقد سمح ذلك للميونات بالتجمع مع الإلكترونات في هلام السيليكا الهوائي، مما أدى إلى تكوين الميونيوم (جسيم محايد يشبه الذرة أو شبه ذرة تتكون من ميون موجب في المركز وإلكترون حول الميون الموجب). وبعد ذلك، تم تجريد الإلكترونات من الميونيوم من خلال الإشعاع بالليزر، مما أدى إلى تبريد الميونات الموجبة إلى حوالي 0.002% من سرعة الضوء. وبعد ذلك، تم تسريع الميونات الموجبة المبردة باستخدام مجال كهربائي بترددات الراديو. وكانت الميونات الموجبة المتسارعة التي تم إنشاؤها بهذه الطريقة اتجاهية لأنها بدأت من الصفر تقريبًا لتصبح شعاع ميون اتجاهي للغاية، ثم تسارعت تدريجيًا حتى وصلت إلى حوالي 4% من سرعة الضوء. وهذا يمثل إنجازًا كبيرًا في تكنولوجيا تسريع الميون.
ويخطط فريق البحث في نهاية المطاف لتسريع الميونات الإيجابية إلى 94% من سرعة الضوء.
***
المراجع:
- جامعة أوريجون. الكون المبكر – نحو بداية تيم. متوفر على https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- سيرن. تسريع العلوم - مصادم الميونات. متوفر على https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. بيان صحفي – أول تبريد وتسريع للميون في العالم. نُشر في 23 مايو 2024. متاح على https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Acceleration of positive muons by a radio-frequency cave. طبعة أولية في arXiv. تم تقديمها في 15 أكتوبر 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
مقالات ذات صلة
الجسيمات الأساسية نظرة سريعة. التشابك الكمي بين "الكواركات العليا" عند أعلى الطاقات المرصودة (22 سبتمبر 2024).
***
 and electron-positron colliders are in forefront in exploration of very early universe. The ATLAS and CMS experiments at the Large Hadron Collider (LHC) were successful in discovering Higgs boson in 2012. Muon collider could be of considerable use in such studies however it is not a reality yet. Researchers have now succeeded in accelerating a positive muon to approximately 4% of the speed of light. This is world's first cooling and acceleration of muon. As proof-of-concept demonstration, this paves the way for realisation of first muon accelerator in near future.){kind=link}