Os aceleradores de partículas utilízanse como ferramentas de investigación para o estudo do universo moi primitivo. Os colisionadores de hadróns (particularmente o Large Hadron Collider LHC do CERN) e os colisionadores electróns-positrones están á vangarda na exploración do universo moi primitivo. Os experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) tiveron éxito ao descubrir o bosón de Higgs en 2012. O colisionador de muóns podería ser de gran utilidade neste tipo de estudos, pero aínda non é unha realidade. Os investigadores agora conseguiron acelerar un muón positivo ata aproximadamente o 4% da velocidade da luz. Este é o primeiro arrefriamento e aceleración do muón do mundo. Como demostración de proba de concepto, isto allana o camiño para a realización do primeiro acelerador de muóns nun futuro próximo.
O universo primitivo está a ser estudado polo Telescopio Espacial James Webb (JWST). Dedicado exclusivamente ao estudo do universo primitivo, JWST faino captando sinais ópticos/infravermellos das primeiras estrelas e galaxias formadas no Universo despois do Big Bang. Recentemente, JWST descubriu con éxito a galaxia máis distante JADES-GS-z14-0 formada no universo primitivo uns 290 millóns de anos despois do Big Bang.
Hai tres fases do universo: a era da radiación, a era da materia e a actual era da enerxía escura. Desde o Big Bang ata uns 50,000 anos, o universo estivo dominado pola radiación. A isto seguiu a era do asunto. A época galáctica da materia era que durou desde uns 200 millóns de anos despois do Big Bang ata uns 3 millóns de anos despois do Big Bang caracterizouse pola formación de grandes estruturas como galaxias. Esta época adoita denominarse "universo temperán" que estuda JWST.
"Universo moi temperán" refírese á fase máis temperá do universo pouco despois do Big Bang, cando estaba moi quente e estaba dominado por completo pola radiación. A época Plank é a primeira época da era da radiación que durou desde o Big Bang ata o 10.-43 s. Cunha temperatura de 1032 K, o universo estaba super quente nesta época. A época Planck foi seguida polas épocas Quark, Lepton e Nuclear; todos foron de curta duración pero caracterizáronse por temperaturas extremadamente altas que foron reducindo gradualmente a medida que o universo se expandía.
Non é posible o estudo directo desta primeira fase do universo. O que se pode facer é recrear as condicións dos primeiros tres minutos do universo despois do Big Bang nos aceleradores de partículas. Os datos xerados polas colisións das partículas en aceleradores/colisionadores ofrecen unha xanela indirecta ao universo moi primitivo.
Os colisionadores son ferramentas de investigación moi importantes na física de partículas. Trátase de máquinas circulares ou lineais que aceleran partículas a velocidades moi altas próximas á da luz e permiten que choquen contra outra partícula procedente de dirección oposta ou contra un obxectivo. As colisións xeran temperaturas extremadamente altas da orde de billóns de Kelvin (semellantes ás condicións presentes nas épocas máis antigas da era da radiación). Engádense as enerxías das partículas en colisión, polo que a enerxía de colisión é maior que se transforma en materia en forma de partículas masivas que existían no universo moi primitivo segundo a simetría masa-enerxía. Tales interaccións entre partículas de alta enerxía nas condicións que existían no universo moi primitivo dan fiestras ao mundo inaccesible daquela época e a análise dos subprodutos das colisións ofrece unha forma de entender as leis que rexen a física.
Quizais o exemplo máis famoso de colisionadores sexa o Large Hadron Collider (LHC) do CERN, é dicir, colisionadores de gran tamaño onde chocan hadróns (partículas compostas só formadas por quarks como protóns e neutróns). É o colisionador máis grande e poderoso do mundo que xera colisións cunha enerxía de 13 TeV (teraelectronvoltios) que é a enerxía máis alta que alcanza un acelerador. O estudo dos subprodutos das colisións foi moi enriquecedor ata o momento. O descubrimento do bosón de Higgs en 2012 polos experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) é un fito na ciencia.
A escala de estudo da interacción das partículas está determinada pola enerxía do acelerador. Para explorar a escalas cada vez máis pequenas, necesítanse aceleradores de enerxía cada vez máis alta. Entón, sempre hai unha procura de aceleradores de maior enerxía que os dispoñibles actualmente para a exploración completa do modelo estándar de física de partículas e a investigación a escalas máis pequenas. Polo tanto, varios novos aceleradores de maior enerxía están actualmente en proxecto.
O Gran Colisionador de Hadrons de Alta Luminosidade (HL – LHC) do CERN, que probablemente estará operativo en 2029, está deseñado para aumentar o rendemento do LHC aumentando o número de colisións para permitir o estudo dos mecanismos coñecidos con maior detalle. Por outra banda, o Future Circular Collider (FCC) é o proxecto altamente ambicioso de colisionadores de partículas de maior rendemento do CERN que tería uns 100 km de circunferencia a 200 metros debaixo do chan e que seguiría ao Gran Colisionador de Hadrones (LHC). É probable que a súa construción comece na década de 2030 e implementaríase en dúas etapas: a FCC-ee (medicións de precisión) estará operativa a mediados da década de 2040 mentres que a FCC-hh (alta enerxía) comeza a funcionar na década de 2070. A FCC debería explorar a existencia de partículas novas e máis pesadas, fóra do alcance do LHC e a existencia de partículas máis lixeiras que interactúan moi débilmente coas partículas do Modelo Estándar.
Así, un grupo de partículas que chocan nun colisionador son os hadróns como os protóns e os núcleos que son partículas compostas feitas de quarks. Estes son pesados e permiten aos investigadores alcanzar altas enerxías como no caso do LHC. Outro grupo é dos leptóns como os electróns e os positróns. Estas partículas tamén poden colisionar como no caso do colisionador de positrones-electróns grandes (LEPC) e do colisionador SuperKEKB. Un dos principais problemas co colisionador de leptóns baseado en electróns e positrones é a gran perda de enerxía debido á radiación de sincrotrón cando as partículas son forzadas a unha órbita circular que se pode superar usando muóns. Do mesmo xeito que os electróns, os muóns son partículas elementais, pero son 200 veces máis pesados que os electróns, polo que a perda de enerxía é moito menor debido á radiación de sincrotrón.
A diferenza dos colisionadores de hadróns, un colisionador de muóns pode funcionar usando menos enerxía, o que fai que un colisionador de muóns de 10 TeV sexa á par cun colisionador de hadróns de 100 TeV. Polo tanto, os colisionadores de muóns poden chegar a ser máis relevantes despois do Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidade (HL – LHC) para experimentos de física de alta enerxía fronte á FCC-ee, ou CLIC (Colisionador lineal compacto) ou ILC (Colisionador lineal internacional). Dadas as liñas de tempo prolongadas dos futuros colisionadores de alta enerxía, os colisionadores de muóns poderían ser só unha ferramenta potencial de investigación en física de partículas durante as próximas tres décadas. Os muóns poden ser útiles para a medición ultra precisa do momento magnético anómalo (g-2) e do momento dipolar eléctrico (EDM) para a exploración máis aló do modelo estándar. A tecnoloxía dos muóns ten aplicacións tamén en varias áreas de investigación interdisciplinarias.
Non obstante, hai retos técnicos na realización de colisionadores de muóns. A diferenza dos hadróns e dos electróns que non se desintegran, os muóns teñen unha curta vida de só 2.2 microsegundos antes de desintegrarse nun electrón e neutrinos. Pero a vida útil do muón aumenta coa enerxía que implica que a súa desintegración pode aprazarse se se acelera rapidamente. Pero acelerar muóns é tecnicamente difícil porque non teñen a mesma dirección ou velocidade.
Recentemente, os investigadores do Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) lograron superar os desafíos da tecnoloxía dos muóns. Lograron acelerar un muón positivo ata aproximadamente o 4% da velocidade da luz por primeira vez no mundo. Esta foi a primeira demostración de arrefriamento e aceleración do muón positivo despois de anos de desenvolvemento continuo das tecnoloxías de arrefriamento e aceleración.
O acelerador de protóns de J-PARC produce aproximadamente 100 millóns de muóns por segundo. Isto faise acelerando os protóns ata preto da velocidade da luz e permitíndolle que golpee o grafito para formar pións. Os muóns fórmanse como produto da desintegración dos pións.
O equipo de investigación produciu muóns positivos cunha velocidade de aproximadamente un 30% da velocidade da luz e disparounos nun aeroxel de sílice. Os muóns permitidos para combinarse cos electróns do aeroxel de sílice resultando na formación de muonio (unha partícula neutra, semellante a un átomo ou pseudo átomo que consiste nun muón positivo no centro e un electrón arredor do muón positivo). Posteriormente, os electróns foron retirados do muonio a través da irradiación con láser que deu muóns positivos arrefriados ao redor do 0.002% da velocidade da luz. Despois diso, os muóns positivos arrefriados foron acelerados usando campos eléctricos de radiofrecuencia. Os muóns positivos acelerados así creados eran direccionais porque comezaron desde preto de cero converténdose nun feixe de muóns moi direccionais a medida que foron acelerando gradualmente acadando aproximadamente o 4% da velocidade da luz. Este é un fito na tecnoloxía de aceleración de muóns.
O equipo de investigación planea acelerar eventualmente os muóns positivos ata o 94% da velocidade da luz.
***
Referencias:
- Universidade de Oregón. O universo primitivo - cara ao comezo de Tim. Dispoñible en https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Acelerando a ciencia: colisionador de muóns. Dispoñible en https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Comunicado de prensa: o primeiro arrefriamento e aceleración do muón do mundo. Publicado o 23 de maio de 2024. Dispoñible en https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Aceleración de muóns positivos por unha cavidade de radiofrecuencia. Preimpresión en arXiv. Enviado o 15 de outubro de 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Artigos relacionados
Partículas fundamentais Unha ollada rápida. Enredo cuántico entre "Top Quarks" nas enerxías máis altas observadas (22 2024 setembro).
***
