"धेरै प्रारम्भिक ब्रह्माण्ड" को अध्ययनको लागि कण टक्करहरू: Muon कोलाइडर प्रदर्शन गरियो

प्रारम्भिक ब्रह्माण्डको अध्ययनको लागि कण एक्सेलेरेटरहरू अनुसन्धान उपकरणको रूपमा प्रयोग गरिन्छ। ह्याड्रन कोलाइडरहरू (विशेष गरी CERN को लार्ज ह्याड्रन कोलाइडर LHC) र इलेक्ट्रोन-पोजिट्रोन कोलाइडरहरू धेरै प्रारम्भिक ब्रह्माण्डको अन्वेषणमा अगाडि छन्। लार्ज ह्याड्रन कोलाइडर (LHC) मा ATLAS र CMS प्रयोगहरू 2012 मा हिग्स बोसोन पत्ता लगाउन सफल भएका थिए। Muon collider यस्ता अध्ययनहरूमा पर्याप्त प्रयोग हुन सक्छ तर यो अझै वास्तविकता होइन। अन्वेषकहरूले अब सकारात्मक म्युओनलाई प्रकाशको गतिको करिब ४ प्रतिशतसम्म गति दिन सफल भएका छन्। यो विश्वको पहिलो म्युओनको शीतलन र प्रवेग हो। अवधारणाको प्रमाण प्रदर्शनको रूपमा, यसले निकट भविष्यमा पहिलो म्युओन एक्सेलेटरको प्राप्तिको लागि मार्ग प्रशस्त गर्दछ।  

प्रारम्भिक ब्रह्माण्ड हाल जेम्स वेब स्पेस टेलिस्कोप (JWST) द्वारा अध्ययन भइरहेको छ। प्रारम्भिक ब्रह्माण्डको अध्ययनमा विशेष रूपमा समर्पित, JWST ले बिग ब्याङ्ग पछि ब्रह्माण्डमा बनेका प्रारम्भिक ताराहरू र आकाशगंगाहरूबाट अप्टिकल/इन्फ्रारेड संकेतहरू उठाएर त्यसो गर्छ। हालै, JWST ले बिग ब्याङ्गको लगभग २९ करोड वर्ष पछि प्रारम्भिक ब्रह्माण्डमा बनेको सबैभन्दा टाढाको ग्यालेक्सी JADES-GS-z14-0 सफलतापूर्वक पत्ता लगायो।  

ब्रह्माण्डका तीन चरणहरू छन् - विकिरण युग, पदार्थ युग र वर्तमान कालो ऊर्जा युग। बिग ब्याङ्गदेखि करिब ५०,००० वर्षसम्म ब्रह्माण्डमा विकिरणको प्रभुत्व थियो। यो कुराको युगले पछ्यायो। ग्यालेक्टिक युगको ग्यालेक्टिक युग जुन बिग ब्याङ्ग पछि करिब २० करोड वर्षदेखि बिग ब्याङ्ग पछि करिब ३ अर्ब वर्षसम्म चलेको थियो जुन ग्यालेक्सीजस्ता ठूला संरचनाहरूको निर्माणद्वारा विशेषता थियो। यो युगलाई सामान्यतया "प्रारम्भिक ब्रह्माण्ड" भनिन्छ जुन JWST अध्ययन गर्दछ।  

"धेरै प्रारम्भिक ब्रह्माण्ड" ले ब्रह्माण्डको प्रारम्भिक चरणलाई बिग ब्याङ्गको लगत्तै बुझाउँछ जब यो अत्यन्त तातो थियो र विकिरणले पूर्ण रूपमा हावी भएको थियो। प्ल्याङ्क युग विकिरण युगको पहिलो युग हो जुन बिग ब्याङ्ग देखि १० सम्म चलेको थियो।^-43 s 10 को तापमान संग³² K, ब्रह्माण्ड यस युगमा अति-तातो थियो। प्लान्क युग पछि क्वार्क, लेप्टन र आणविक युगहरू थिए; सबै अल्पकालीन थिए तर अत्यन्त उच्च तापक्रमको विशेषता थियो जुन ब्रह्माण्डको विस्तारसँगै बिस्तारै घट्दै गयो।  

ब्रह्माण्डको यो प्रारम्भिक चरणको प्रत्यक्ष अध्ययन सम्भव छैन। के गर्न सकिन्छ ब्रह्माण्डको पहिलो तीन मिनेटको अवस्थालाई कण प्रवेगकहरूमा बिग ब्याङ्ग पछि पुन: सिर्जना गर्न। गतिवर्धक/टक्करहरूमा कणहरूको टक्करबाट उत्पन्न डाटाले धेरै प्रारम्भिक ब्रह्माण्डमा अप्रत्यक्ष विन्डो प्रस्ताव गर्दछ।  

कोलाइडरहरू कण भौतिकीमा धेरै महत्त्वपूर्ण अनुसन्धान उपकरणहरू हुन्। यी गोलाकार वा रैखिक मेसिनहरू हुन् जसले कणहरूलाई प्रकाशको गतिको नजिक धेरै उच्च गतिमा गति दिन्छ र तिनीहरूलाई विपरीत दिशाबाट वा लक्ष्य विरुद्ध आउने अर्को कणसँग टक्कर दिन अनुमति दिन्छ। टक्करहरूले केल्भिनको ट्रिलियन (विकिरण युगको प्रारम्भिक युगहरूमा अवस्थित अवस्थाहरू जस्तै) को क्रममा अत्यधिक उच्च तापक्रम उत्पन्न गर्दछ। टक्कर गर्ने कणहरूको ऊर्जाहरू थपिन्छन् त्यसैले टक्करको ऊर्जा बढी हुन्छ जुन द्रव्यमान-ऊर्जा सममिति अनुसार धेरै प्रारम्भिक ब्रह्माण्डमा अवस्थित विशाल कणहरूको रूपमा पदार्थमा परिणत हुन्छ। धेरै प्रारम्भिक ब्रह्माण्डमा अवस्थित परिस्थितिहरूमा उच्च ऊर्जा कणहरू बीचको यस्तो अन्तरक्रियाले त्यस समयको अन्यथा दुर्गम संसारमा झ्यालहरू दिन्छ र टक्करहरूको उप-उत्पादनहरूको विश्लेषणले भौतिक विज्ञानको नियमन नियमहरू बुझ्ने तरिका प्रदान गर्दछ।  

सायद, टक्करहरूको सबैभन्दा प्रसिद्ध उदाहरण CERN को लार्ज ह्याड्रन कोलाइडर (LHC) जस्तै, ठूला आकारका कोलाइडरहरू हुन् जहाँ ह्याड्रनहरू (क्वार्कबाट बनेका कम्पोजिट कणहरू जस्तै प्रोटोन र न्युट्रोनहरू) ठोक्किन्छन्। यो संसारको सबैभन्दा ठूलो र सबैभन्दा शक्तिशाली कोलाइडर हो जसले 13 TeV (टेराइलेक्ट्रोनभोल्ट) को ऊर्जामा टक्कर उत्पन्न गर्दछ जुन एक एक्सेलेटरद्वारा पुग्ने उच्चतम ऊर्जा हो। टक्करहरूको उप-उत्पादनहरूको अध्ययन अहिलेसम्म धेरै समृद्ध भएको छ। लार्ज ह्याड्रन कोलाइडर (LHC) मा ATLAS र CMS प्रयोगहरूद्वारा 2012 मा हिग्स बोसनको खोज विज्ञानमा कोसेढुङ्गा हो।  

कण अन्तरक्रिया को अध्ययन को स्केल एक्सेलेटर को ऊर्जा द्वारा निर्धारित गरिन्छ। साना र साना तराजूहरूमा अन्वेषण गर्न, व्यक्तिलाई उच्च र उच्च ऊर्जाको गतिवर्धकहरू चाहिन्छ। त्यसोभए, त्यहाँ सँधै उच्च-ऊर्जा प्रवेगकहरूको खोजी हुन्छ जुन वर्तमानमा उपलब्ध कण भौतिकीको मानक मोडेलको पूर्ण अन्वेषण र साना स्केलहरूमा अनुसन्धानको लागि उपलब्ध छ। तसर्थ, धेरै नयाँ उच्च-ऊर्जा गतिवर्धकहरू हाल पाइपलाइनमा छन्।  

CERN को High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC), जुन 2029 सम्म सञ्चालन हुने सम्भावना छ, टकरावको संख्या बढाएर LHC को कार्यसम्पादन बढाउन डिजाइन गरिएको छ ताकि ज्ञात संयन्त्रहरूको विस्तृत रूपमा अध्ययन गर्न सकिन्छ। अर्कोतर्फ, फ्यूचर सर्कुलर कोलाइडर (FCC) CERN को उच्च महत्वाकांक्षी उच्च कार्यसम्पादन पार्टिकल कोलाइडर प्रोजेक्ट हो जुन जमिन मुनि २०० मिटर परिधिमा लगभग १०० किलोमिटर हुनेछ र लार्ज ह्याड्रन कोलाइडर (LHC) बाट अगाडि बढ्नेछ। यसको निर्माण 100 मा सुरु हुने सम्भावना छ र दुई चरणहरूमा लागू हुनेछ: FCC-ee (परिशुद्धता मापन) 200s को मध्य सम्म सञ्चालन हुनेछ जबकि FCC-hh (उच्च ऊर्जा) 2030s मा सञ्चालन सुरु हुनेछ। FCC ले LHC को पहुँच भन्दा बाहिर नयाँ, भारी कणहरूको अस्तित्व र मानक मोडेल कणहरूसँग धेरै कमजोर अन्तरक्रिया गर्ने हल्का कणहरूको अस्तित्व अन्वेषण गर्नुपर्छ।  

यसरी, कोलाइडरमा ठोक्किने कणहरूको एउटा समूह प्रोटोन र न्यूक्लीजस्ता ह्याड्रनहरू हुन् जुन क्वार्कहरूबाट बनेका मिश्रित कणहरू हुन्। यी भारी छन् र अनुसन्धानकर्ताहरूलाई LHC को मामलामा उच्च ऊर्जामा पुग्न अनुमति दिन्छ। अर्को समूह इलेक्ट्रोन र पोजिट्रोन जस्ता लेप्टनहरूको हो। यी कणहरू पनि ठूला इलेक्ट्रोन-पोजिट्रोन कोलाइडर (LEPC) र SuperKEKB कोलाइडरको मामलामा टकराउन सक्छन्। इलेक्ट्रोन-पोजिट्रोनमा आधारित लेप्टन कोलाइडरको एउटा प्रमुख समस्या भनेको सिन्क्रोट्रोन विकिरणको कारणले ठूलो ऊर्जाको हानि हो जब कणहरू गोलाकार कक्षामा बाध्य हुन्छन् जुन म्युन्स प्रयोग गरेर हटाउन सकिन्छ। इलेक्ट्रोनहरू जस्तै, म्युनहरू प्राथमिक कणहरू हुन् तर इलेक्ट्रोनहरू भन्दा 200 गुणा भारी हुन्छन् त्यसैले सिन्क्रोट्रोन विकिरणको कारणले धेरै कम ऊर्जा हानि हुन्छ।  

ह्याड्रन कोलाइडरको विपरीत, एक म्युओन कोलाइडरले कम उर्जा प्रयोग गरेर चल्न सक्छ जसले १०० TeV ह्याड्रन कोलाइडरको बराबरीमा १० TeV muon कोलाइडर बनाउँछ। तसर्थ, म्युओन कोलाइडरहरू उच्च ऊर्जा भौतिकी प्रयोगहरूका लागि उच्च ल्युमिनोसिटी लार्ज ह्याड्रन कोलाइडर (HL - LHC) पछि थप सान्दर्भिक हुन सक्छन् FCC-ee, वा CLIC (कम्प्याक्ट लिनियर कोलाइडर) वा ILC (अन्तर्राष्ट्रिय रैखिक कोलाइडर)। उच्च ऊर्जा भविष्यका टक्करहरूको लामो समयरेखालाई दिइयो, म्युओन कोलाइडरहरू अर्को तीन दशकको लागि कण भौतिकीमा मात्र सम्भावित अनुसन्धान उपकरण हुन सक्छ। Muons मानक मोडेल भन्दा बाहिर अन्वेषण तिर असामान्य चुम्बकीय क्षण (g-2) र विद्युतीय द्विध्रुव क्षण (EDM) को अल्ट्रा-सटीक मापनको लागि उपयोगी हुन सक्छ। Muon टेक्नोलोजीसँग धेरै अन्तःविषय अनुसन्धान क्षेत्रहरूमा पनि अनुप्रयोगहरू छन्।  

यद्यपि, म्युओन कोलाइडरहरू महसुस गर्न प्राविधिक चुनौतीहरू छन्। हेड्रन र इलेक्ट्रोनहरू जस्तो कि क्षय हुँदैन, म्युनको मात्र 2.2 माइक्रोसेकेन्डको छोटो जीवनकाल हुन्छ यो इलेक्ट्रोन र न्यूट्रिनोमा क्षय हुनु अघि। तर म्युओनको जीवनकाल ऊर्जाको साथ बढ्दै जान्छ जसको क्षयलाई द्रुत गतिमा राखियो भने स्थगित गर्न सकिन्छ। तर म्युन्सलाई गति दिन प्राविधिक रूपमा गाह्रो छ किनभने तिनीहरूसँग समान दिशा वा गति छैन।  

हालै, जापान प्रोटोन एक्सेलरेटर रिसर्च कम्प्लेक्स (J-PARC) का अन्वेषकहरूले म्युन टेक्नोलोजी चुनौतीहरू पार गर्न सफल भएका छन्। तिनीहरूले विश्वमा पहिलो पटक प्रकाशको गतिको लगभग 4% सकारात्मक म्युओनलाई गति दिन सफल भए। यो कूलिङ र एक्सेलेरेशन टेक्नोलोजीहरूको वर्षौंको निरन्तर विकास पछि सकारात्मक म्युओनको शीतलन र प्रवेगको पहिलो प्रदर्शन थियो।  

J-PARC मा प्रोटोन एक्सेलेरेटर प्रति सेकेन्ड लगभग 100 मिलियन muons उत्पादन गर्दछ। यो प्रोटोनहरूलाई प्रकाशको गतिको नजिकमा बढाएर र ग्रेफाइटलाई पियन्स बनाउन अनुमति दिएर गरिन्छ। Muons pions को क्षय उत्पादन को रूप मा गठन गरिन्छ।  

अनुसन्धान टोलीले प्रकाशको गतिको करिब 30% गतिमा सकारात्मक म्युनहरू उत्पादन गरे र तिनीहरूलाई सिलिका एरोजेलमा गोली हान्यो। सिलिका एयरजेलमा इलेक्ट्रोनहरूसँग मिलाउन अनुमति दिइएको म्युओनहरू म्युओनियम (एक तटस्थ, परमाणु-जस्तो कण वा स्यूडो परमाणु केन्द्रमा सकारात्मक म्युओन र सकारात्मक म्युओनको वरिपरि इलेक्ट्रोन) को गठन हुन्छ। पछि, इलेक्ट्रोनहरू लेजरद्वारा विकिरणको माध्यमबाट म्युओनियमबाट हटाइयो जसले सकारात्मक म्युनहरूलाई प्रकाशको गतिको लगभग ०.००२% मा चिसो बनायो। त्यस पछि, रेडियो-फ्रिक्वेन्सी इलेक्ट्रिक फिल्ड प्रयोग गरेर चिसो सकारात्मक म्युन्सलाई गति दिइयो। यसरी सिर्जना गरिएका द्रुत सकारात्मक म्युअनहरू दिशात्मक थिए किनभने तिनीहरू शून्यबाट सुरु भएर उच्च दिशात्मक म्युओन किरण बन्न थालेको रूपमा क्रमशः प्रकाशको गतिको लगभग 0.002% सम्म पुग्ने गति बढ्यो। यो muon एक्सेलेरेशन टेक्नोलोजीमा कोसेढुङ्गा हो।  

अनुसन्धान टोलीले अन्ततः सकारात्मक म्युन्सलाई प्रकाशको गतिको ९४% सम्म बढाउने योजना बनाएको छ। 

*** 

सन्दर्भ:  

1. ओरेगन विश्वविद्यालय। प्रारम्भिक ब्रह्माण्ड - टिम को शुरुवात तिर। मा उपलब्ध छ https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN। गति विज्ञान - Muon कोलाइडर। https://home.cern/science/accelerators/muon-collider मा उपलब्ध छ 

3. J-PARC। प्रेस विज्ञप्ति - विश्वको पहिलो शीतलन र म्यूनको प्रवेग। २३ मे २०२४ मा पोस्ट गरिएको। मा उपलब्ध छ https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. एक रेडियो-फ्रिक्वेन्सी गुहा द्वारा सकारात्मक muons को गति। arXiv मा प्रिन्ट गर्नुहोस्। १५ अक्टोबर २०२४ मा पेस गरिएको। DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

सम्बन्धित लेखहरू  

आधारभूत कणहरू एक द्रुत नजर। अवलोकन गरिएको उच्चतम ऊर्जामा "शीर्ष क्वार्कहरू" बीचको क्वान्टम उलझन  (22 सेप्टेम्बर 2024)।  

***