कण प्रवेगकांचा वापर अगदी सुरुवातीच्या विश्वाच्या अभ्यासासाठी संशोधन साधने म्हणून केला जातो. हॅड्रॉन कोलायडर (विशेषत: CERN चे लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर LHC) आणि इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन कोलायडर्स अगदी सुरुवातीच्या विश्वाच्या शोधात आघाडीवर आहेत. 2012 मध्ये लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर (LHC) मधील ATLAS आणि CMS प्रयोग हिग्ज बोसॉनचा शोध लावण्यात यशस्वी ठरले. अशा अभ्यासात म्युऑन कोलायडरचा पुरेसा उपयोग होऊ शकतो मात्र ते अद्याप वास्तव नाही. संशोधकांना आता प्रकाशाच्या गतीच्या अंदाजे 4% पॉझिटिव्ह म्युऑनचा वेग वाढवण्यात यश आले आहे. म्युऑनचे हे जगातील पहिले शीतकरण आणि प्रवेग आहे. संकल्पनेचे पुरावे प्रात्यक्षिक म्हणून, हे नजीकच्या भविष्यात पहिले म्युऑन प्रवेगक साकारण्याचा मार्ग मोकळा करते.
सुरुवातीच्या विश्वाचा सध्या जेम्स वेब स्पेस टेलिस्कोप (JWST) द्वारे अभ्यास केला जात आहे. केवळ सुरुवातीच्या विश्वाच्या अभ्यासासाठी समर्पित, JWST बिग बँग नंतर ब्रह्मांडात तयार झालेल्या सुरुवातीच्या तारे आणि आकाशगंगांमधून ऑप्टिकल/इन्फ्रारेड सिग्नल उचलून असे करते. अलीकडे, JWST ने बिग बँग नंतर सुमारे 14 दशलक्ष वर्षांनंतर सुरुवातीच्या विश्वात तयार झालेल्या JADES-GS-z0-290 ही सर्वात दूरची आकाशगंगा यशस्वीरित्या शोधून काढली.
विश्वाचे तीन टप्पे आहेत - रेडिएशन युग, पदार्थ युग आणि वर्तमान गडद ऊर्जा युग. महास्फोटापासून सुमारे 50,000 वर्षांपर्यंत विश्वावर रेडिएशनचे वर्चस्व होते. यानंतर मॅटर युग सुरू झाले. बिग बँग नंतर सुमारे 200 दशलक्ष वर्षे ते बिग बँग नंतर सुमारे 3 अब्ज वर्षापर्यंत चालणारा पदार्थ युगाचा गॅलेक्टिक युग हे आकाशगंगासारख्या मोठ्या संरचनांच्या निर्मितीद्वारे वैशिष्ट्यीकृत होते. या युगाला सहसा "प्रारंभिक विश्व" असे संबोधले जाते ज्याचा JWST अभ्यास करते.
"खूप लवकर ब्रह्मांड" म्हणजे महाविस्फोटानंतरच्या विश्वाच्या सुरुवातीच्या टप्प्याचा संदर्भ आहे जेव्हा ते अत्यंत उष्ण होते आणि रेडिएशनचे पूर्णपणे वर्चस्व होते. प्लँक युग हा रेडिएशन युगाचा पहिला युग आहे जो बिग बँगपासून 10 पर्यंत टिकला होता.-43 s 10 च्या तापमानासह32 के, या युगात विश्व अतिउष्ण होते. प्लँक युगानंतर क्वार्क, लेप्टन आणि न्यूक्लियर युग होते; सर्व अल्पायुषी होते परंतु अत्यंत उच्च तापमानाने वैशिष्ट्यीकृत केले जे विश्वाचा विस्तार होत असताना हळूहळू कमी होत गेले.
विश्वाच्या या सुरुवातीच्या टप्प्याचा प्रत्यक्ष अभ्यास करणे शक्य नाही. कण प्रवेगकांमध्ये बिग बँग झाल्यानंतर विश्वाच्या पहिल्या तीन मिनिटांची परिस्थिती पुन्हा निर्माण करणे हे काय करता येईल. प्रवेगक/कॉलायडर्समधील कणांच्या टक्करांमुळे निर्माण होणारा डेटा अगदी सुरुवातीच्या विश्वाची अप्रत्यक्ष विंडो ऑफर करतो.
कण भौतिकशास्त्रातील कोलायडर्स ही अतिशय महत्त्वाची संशोधन साधने आहेत. ही गोलाकार किंवा रेषीय यंत्रे आहेत जी प्रकाशाच्या वेगाच्या अगदी जवळ असलेल्या कणांना वेग वाढवतात आणि त्यांना विरुद्ध दिशेकडून किंवा लक्ष्याविरुद्ध येणाऱ्या दुसऱ्या कणाशी टक्कर देतात. टक्कर ट्रिलियन केल्विनच्या क्रमाने अत्यंत उच्च तापमान निर्माण करतात (विकिरण युगाच्या सुरुवातीच्या काळातील परिस्थितींप्रमाणेच). आदळणाऱ्या कणांची ऊर्जा जोडली जाते म्हणून टक्कर ऊर्जा जास्त असते जी वस्तुमान-ऊर्जा सममितीनुसार अगदी सुरुवातीच्या विश्वात अस्तित्वात असलेल्या प्रचंड कणांच्या रूपात पदार्थात बदलते. अगदी सुरुवातीच्या विश्वात अस्तित्वात असलेल्या परिस्थितीत उच्च ऊर्जा कणांमधील अशा परस्परसंवादामुळे त्या काळातील अन्यथा दुर्गम जगाला खिडक्या मिळतात आणि टक्करांच्या उप-उत्पादनांचे विश्लेषण भौतिकशास्त्राचे नियमन नियम समजून घेण्याचा मार्ग देते.
कदाचित, कोलायडर्सचे सर्वात प्रसिद्ध उदाहरण म्हणजे CERN चे लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर (LHC) उदा., मोठ्या आकाराचे कोलायडर्स जेथे हॅड्रॉन (केवळ प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन यांसारख्या क्वार्कपासून बनलेले संमिश्र कण) आदळतात. हा जगातील सर्वात मोठा आणि सर्वात शक्तिशाली कोलायडर आहे जो 13 TeV (टेराइलेक्ट्रॉनव्होल्ट्स) च्या उर्जेवर टक्कर निर्माण करतो जी प्रवेगक द्वारे पोहोचलेली सर्वोच्च ऊर्जा आहे. टक्करांच्या उपउत्पादनांचा अभ्यास आतापर्यंत खूप समृद्ध करणारा आहे. लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर (LHC) येथे ATLAS आणि CMS प्रयोगांद्वारे 2012 मध्ये हिग्ज बोसॉनचा शोध हा विज्ञानातील एक मैलाचा दगड आहे.
कणांच्या परस्परसंवादाच्या अभ्यासाचे प्रमाण प्रवेगकांच्या ऊर्जेद्वारे निश्चित केले जाते. लहान आणि लहान स्केलवर एक्सप्लोर करण्यासाठी, एखाद्याला उच्च आणि उच्च उर्जेच्या प्रवेगकांची आवश्यकता असते. म्हणून, कण भौतिकशास्त्राच्या मानक मॉडेलच्या संपूर्ण अन्वेषणासाठी आणि लहान स्केलवर तपासणीसाठी सध्या उपलब्ध असलेल्या उच्च-ऊर्जा प्रवेगकांचा शोध नेहमीच असतो. त्यामुळे, अनेक नवीन उच्च-ऊर्जा प्रवेगक सध्या पाइपलाइनमध्ये आहेत.
CERN चे हाय-ल्युमिनोसिटी लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर (HL – LHC), जे 2029 पर्यंत कार्यान्वित होण्याची शक्यता आहे, टक्करांची संख्या वाढवून LHC च्या कार्यक्षमतेत वाढ करण्यासाठी डिझाइन केले आहे जेणेकरून ज्ञात यंत्रणांचा अधिक तपशीलवार अभ्यास करता येईल. दुसरीकडे, फ्यूचर सर्क्युलर कोलायडर (FCC) हा CERN चा अत्यंत महत्वाकांक्षी उच्च कार्यक्षमतेचा कण कोलायडर प्रकल्प आहे जो जमिनीच्या 100 मीटर खाली सुमारे 200 किमी परिघाचा असेल आणि लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर (LHC) पासून पुढे जाईल. त्याचे बांधकाम 2030 मध्ये सुरू होण्याची शक्यता आहे आणि ती दोन टप्प्यांत लागू केली जाईल: FCC-ee (अचूक मोजमाप) 2040 च्या दशकाच्या मध्यापर्यंत कार्यान्वित होईल तर FCC-hh (उच्च ऊर्जा) 2070 च्या दशकात कार्यान्वित होईल. FCC ने LHC च्या आवाक्याबाहेरील नवीन, जड कणांचे अस्तित्व आणि स्टँडर्ड मॉडेल कणांशी अत्यंत कमकुवतपणे संवाद साधणाऱ्या फिकट कणांचे अस्तित्व शोधले पाहिजे.
अशा प्रकारे, कोलायडरमध्ये आदळणाऱ्या कणांचा एक गट म्हणजे प्रोटॉन आणि न्यूक्ली सारखे हॅड्रॉन जे क्वार्कपासून बनलेले संमिश्र कण असतात. हे वजनदार आहेत आणि संशोधकांना LHC प्रमाणेच उच्च उर्जेपर्यंत पोहोचू देतात. दुसरा गट लेप्टॉनचा आहे जसे की इलेक्ट्रॉन आणि पॉझिट्रॉन. हे कण लार्ज इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन कोलायडर (LEPC) आणि SuperKEKB कोलायडरच्या बाबतीतही आदळू शकतात. इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन आधारित लेप्टॉन कोलायडरची एक प्रमुख समस्या म्हणजे सिंक्रोट्रॉन रेडिएशनमुळे मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा कमी होणे जेव्हा कण वर्तुळाकार कक्षेत भाग पाडतात ज्यावर म्यूऑन वापरून मात करता येते. इलेक्ट्रॉन्सप्रमाणे, म्युऑन हे प्राथमिक कण आहेत परंतु ते इलेक्ट्रॉनपेक्षा 200 पट जड आहेत म्हणून सिंक्रोट्रॉन रेडिएशनमुळे कमी ऊर्जा कमी होते.
हॅड्रॉन कोलायडरच्या विपरीत, म्युऑन कोलायडर कमी ऊर्जा वापरून धावू शकतो ज्यामुळे 10 TeV म्युऑन कोलायडर 100 TeV हॅड्रॉन कोलायडरच्या बरोबरीने बनते. त्यामुळे, उच्च उर्जा भौतिकशास्त्राच्या प्रयोगांसाठी FCC-ee, किंवा CLIC (कॉम्पॅक्ट लिनियर कोलायडर) किंवा आयएलसी (इंटरनॅशनल लिनियर कोलायडर). उच्च उर्जेच्या भविष्यातील टक्करांच्या प्रदीर्घ कालखंडानुसार, म्युऑन कोलायडर्स हे पुढील तीन दशकांसाठी कण भौतिकशास्त्रातील केवळ संभाव्य संशोधन साधन असू शकतात. विसंगत चुंबकीय क्षण (g-2) आणि विद्युत द्विध्रुवीय क्षण (EDM) च्या अति-अचूक मोजमापासाठी म्युऑन्स उपयुक्त ठरू शकतात. म्युऑन तंत्रज्ञानाचे अनेक आंतरविद्याशाखीय संशोधन क्षेत्रांमध्ये देखील अनुप्रयोग आहेत.
तथापि, म्यूऑन कोलायडर्स साकारण्यात तांत्रिक आव्हाने आहेत. हॅड्रॉन्स आणि इलेक्ट्रॉन्सच्या विपरीत जे क्षय होत नाहीत, म्युऑन्सचे आयुष्य फक्त 2.2 मायक्रोसेकंद इतकेच असते ते इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रिनोमध्ये क्षय होण्यापूर्वी. परंतु म्युऑनचे आयुष्य उर्जेसह वाढते आणि त्याचा क्षय लवकर वाढल्यास पुढे ढकलला जाऊ शकतो. परंतु म्युऑनला गती देणे तांत्रिकदृष्ट्या अवघड आहे कारण त्यांना समान दिशा किंवा वेग नाही.
अलीकडे, जपान प्रोटॉन एक्सीलरेटर रिसर्च कॉम्प्लेक्स (J-PARC) मधील संशोधकांनी म्यूऑन तंत्रज्ञानाच्या आव्हानांवर मात करण्यात यश मिळवले आहे. ते जगात प्रथमच प्रकाशाच्या गतीच्या अंदाजे 4% पॉझिटिव्ह म्यूऑनला गती देण्यात यशस्वी झाले. शीतकरण आणि प्रवेग तंत्रज्ञानाच्या अनेक वर्षांच्या सतत विकासानंतर पॉझिटिव्ह म्यूऑनच्या थंड आणि प्रवेगाचे हे पहिले प्रदर्शन होते.
J-PARC मधील प्रोटॉन प्रवेगक प्रति सेकंद अंदाजे 100 दशलक्ष म्यूऑन तयार करतो. हे प्रोटॉनला प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळ वाढवून आणि ग्रेफाइटला पायन्स तयार करण्यास परवानगी देऊन केले जाते. म्युऑन हे pions च्या क्षय उत्पादनाच्या रूपात तयार होतात.
संशोधन पथकाने प्रकाशाच्या वेगाच्या 30% गती असलेले सकारात्मक म्यूऑन तयार केले आणि त्यांना सिलिका एरोजेलमध्ये शूट केले. सिलिका एअरजेलमधील इलेक्ट्रॉन्ससह एकत्रित होण्यास अनुमती असलेल्या म्यूऑन्सच्या परिणामी म्युओनियम तयार होतो (एक तटस्थ, अणूसारखा कण किंवा स्यूडो अणू ज्यामध्ये केंद्रस्थानी सकारात्मक म्यूऑन आणि सकारात्मक म्यूऑनभोवती एक इलेक्ट्रॉन असतो). त्यानंतर, लेसरद्वारे विकिरणाद्वारे म्युओनियममधून इलेक्ट्रॉन काढून टाकण्यात आले ज्यामुळे सकारात्मक म्युऑन्स प्रकाशाच्या गतीच्या सुमारे 0.002% पर्यंत थंड झाले. त्यानंतर, रेडिओ-फ्रिक्वेंसी इलेक्ट्रिक फील्डचा वापर करून थंड झालेल्या पॉझिटिव्ह म्युऑनला गती दिली गेली. अशा प्रकारे तयार केलेले प्रवेगक सकारात्मक म्यूऑन दिशात्मक होते कारण ते शून्यापासून सुरू होऊन अत्यंत दिशात्मक म्युऑन बीम बनत होते कारण हळूहळू प्रवेगक प्रकाशाच्या वेगाच्या अंदाजे 4% पर्यंत पोहोचला होता. म्यूऑन प्रवेग तंत्रज्ञानातील हा एक मैलाचा दगड आहे.
संशोधक संघाने अखेरीस सकारात्मक म्युऑनला प्रकाशाच्या गतीच्या 94% पर्यंत गती देण्याची योजना आखली आहे.
***
संदर्भ:
- ओरेगॉन विद्यापीठ. प्रारंभिक विश्व - टिमच्या सुरुवातीच्या दिशेने. येथे उपलब्ध आहे https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. प्रवेगक विज्ञान - मुऑन कोलायडर. https://home.cern/science/accelerators/muon-collider येथे उपलब्ध
- J-PARC. प्रेस रिलीझ - म्यूऑनचे जगातील पहिले शीतकरण आणि प्रवेग. 23 मे 2024 रोजी पोस्ट केले. येथे उपलब्ध https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- एरिटोम एस., एट अल., 2024. रेडिओ-फ्रिक्वेंसी पोकळीद्वारे सकारात्मक म्यूऑन्सचे प्रवेग. arXiv वर प्रीप्रिंट करा. 15 ऑक्टोबर 2024 रोजी सबमिट केले. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
संबंधित लेख
मूलभूत कण एक द्रुत देखावा. निरीक्षण केलेल्या सर्वोच्च उर्जेवर "टॉप क्वार्क्स" दरम्यान क्वांटम एंन्गलमेंट (एक्सएनयूएमएक्स सप्टेंबर एक्सएनयूएमएक्स).
***
