L'acceleratori di particelle sò usati com'è strumenti di ricerca per u studiu di l'universu assai prima. I collisionatori di Hadroni (in particulare u Large Hadron Collider LHC di CERN) è i colliders elettroni-positroni sò in prima linea in l'esplorazione di l'universu assai precoce. L'esperimenti ATLAS è CMS à u Large Hadron Collider (LHC) anu successu à scopre u boson di Higgs in 2012. U collider Muon puderia esse d'utile considerableu in tali studii, ma ùn hè micca una realità. I ricercatori sò avà riesciutu à accelerà un muone pusitivu à circa 4% di a velocità di a luce. Questu hè u primu rinfrescante è accelerazione di muoni in u mondu. Cum'è dimostrazione di prova di cuncettu, questu apre a strada per a realizazione di u primu acceleratore di muoni in un futuru vicinu.
L'universu iniziale hè attualmente studiatu da u James Webb Space Telescope (JWST). Dedicatu esclusivamente à u studiu di l'universu precoce, JWST face cusì raccogliendu segnali ottici / infrarossi da e prime stelle è galassie formate in l'Universu dopu à u Big Bang. Ricertamenti, JWST hà scupertu cù successu a galassia più distante JADES-GS-z14-0 formata in l'universu iniziale circa 290 milioni d'anni dopu à u Big Bang.
Ci sò trè fasi di l'universu - era di radiazione, era di materia è l'era di l'energia scura attuale. Da u Big Bang à circa 50,000 anni, l'universu era duminatu da a radiazione. Questu hè stata seguita da l'era di a materia. L'epica galattica di l'era di a materia chì durò da circa 200 milioni d'anni dopu à u Big Bang à circa 3 miliardi d'anni dopu à u Big Bang era carattarizatu da a furmazione di grandi strutture cum'è galaxie. Questa epoca hè generalmente chjamata "universu iniziale" chì JWST studia.
"Universu assai precoce" si riferisce à a prima fase di l'universu pocu dopu à u Big Bang quandu era estremamente caldu è era duminatu cumpletamente da a radiazione. L'epica di Plank hè a prima epoca di l'era di a radiazione chì durò da u Big Bang à 10.-43 s. Cù una temperatura di 1032 K, l'universu era super-hot in questa epoca. L'epica di Planck hè stata seguita da l'epica Quark, Lepton è Nuclear; tutti eranu di corta vita, ma carattarizati da temperature estremamente elevate chì si riduttanu gradualmente à u mumentu di l'espansione di l'universu.
U studiu direttu di sta prima fase di l'universu ùn hè micca pussibule. Ciò chì si pò fà hè di ricreà e cundizioni di i primi trè minuti di l'universu dopu à u Big Bang in l'acceleratori di particelle. I dati generati da i collisioni di e particelle in acceleratori / colliders offrenu una finestra indiretta à l'universu assai prima.
I collider sò strumenti di ricerca assai impurtanti in a fisica di particelle. Il s'agit de machines circulaires ou linéaires qui accélèrent les particules à des vitesses très élevées proches de la vitesse de la lumière et leur permettent de s'écraser contre une autre particule venant de la direction opposée ou contre un objectif. I collisioni generanu temperature estremamente elevate in l'ordine di trilioni di Kelvin (simili à e cundizioni prisenti in i primi tempi di l'era radiataion). L'energii di e particelle in collisione sò aghjunte per quessa l'energia di collisione hè più altu chì hè trasfurmatu in materia in forma di particelle massive chì esistevanu in l'universu primariu secondu a simmetria di massa-energia. Tali interazzione trà e particeddi d'alta energia in e cundizioni chì esistevanu in l'universu assai precoce dà finestri à u mondu altrimenti inaccessibile di quellu tempu è l'analisi di i derivati di i scontri offre un modu per capiscenu e lege di a fisica.
Forsi, l'esempiu più famosu di colliders hè u Large Hadron Collider (LHC) di u CERN, vale à dì, colliders di grande dimensione induve l'adroni (particelle composte di quarks solu cum'è protoni è neutroni) scontranu. Hè u più grande è u più putente collider in u mondu chì genera collisions à una energia di 13 TeV (teraelectronvolts) chì hè a più alta energia ghjunta da un acceleratore. U studiu di i sottoprodotti di e scontri hè statu assai arricchendu finu à avà. A scuperta di u boson di Higgs in u 2012 da l'esperimenti ATLAS è CMS à u Large Hadron Collider (LHC) hè una tappa in a scienza.
A scala di studiu di l'interazzione di particella hè determinata da l'energia di l'acceleratore. Per l'esplorazione à scale più chjuche è più chjuche, unu richiede acceleratori di energia più alta è più alta. Dunque, ci hè sempre una ricerca per acceleratori d'energia più altu ch'è attualmente dispunibule per l'esplorazione cumpleta di u mudellu standard di a fisica di particelle è l'investigazione à scale più chjuche. Per quessa, parechji novi acceleratori di energia più alta sò attualmente in pipeline.
U CERN High-Luminosity Large Hadron Collider (HL - LHC), chì hè prubabilmente operativu da u 2029, hè pensatu per aumentà a prestazione di LHC aumentendu u numeru di collisioni per permette di studià i meccanismi cunnisciuti in più dettagliu. Per d 'altra banda, Future Circular Collider (FCC) hè u prughjettu altamente ambiziosu di u CERN di collisionatori di particelle di più altu rendiment chì avissi da circa 100 km di circonferenza à 200 metri sottu à a terra è seguita da u Large Hadron Collider (LHC). A so custruzzione hè prubabile di principià in l'anni 2030 è seria implementata in duie tappe: FCC-ee (misurazioni di precisione) serà operativa da a mità di l'anni 2040 mentre chì FCC-hh (alta energia) principia in 2070. A FCC duveria spiegà l'esistenza di particelle novi, più pesanti, fora di a portata di l'LHC è l'esistenza di particelle più ligeri chì interagiscenu assai debbuli cù particelle di u mudellu Standard.
Cusì, un gruppu di particeddi chì collide in un collider sò adroni cum'è protoni è nuclei chì sò particeddi composti fatti di quarks. Quessi sò pisanti è permettenu à i circadori di ghjunghje à l'alte energie cum'è in u casu di LHC. Un altru gruppu hè di leptoni cum'è l'elettroni è i positroni. Sti particeddi ponu ancu collide cum'è in u casu di Large Electron-Positron Collider (LEPC) è SuperKEKB collider. Un prublema maiò cù u collider di lepton basatu à l'elettroni-positroni hè una grande perdita di energia per via di a radiazione di sincrotrone quandu e particelle sò furzate in orbita circular chì ponu esse superati usendu muoni. Cum'è l'elettroni, i muoni sò particelle elementari, ma sò 200 volte più pesanti cà l'elettroni, per quessa, a perdita di energia hè assai menu per a radiazione di sincrotrone.
A cuntrariu di i collisionatori di adroni, un collider di muoni pò curriri cù menu energia chì face un collider di muoni di 10 TeV à parità cù un collider di hadron 100 TeV. Dunque, i colliders di muoni ponu diventà più pertinenti post-High Luminosity Large Hadron Collider (HL - LHC) per esperimenti di fisica d'alta energia vis-à-vis FCC-ee, o CLIC (Compact Linear Collider) o ILC (Collider Linear Internaziunale). Dati i tempi prolungati di i colliders futuri d'alta energia, i colliders di muoni puderanu esse solu un putenziale strumentu di ricerca in fisica di particelle per i prossimi trè decennii. I muoni ponu esse utili per a misurazione ultra-precisa di u mumentu magneticu anomalu (g-2) è u mumentu di dipolu elettricu (EDM) versu l'esplorazione oltre u mudellu standard. A tecnulugia di muoni hà applicazioni ancu in parechje aree di ricerca interdisciplinaria.
Tuttavia, ci sò sfidi tecnichi in a realizazione di colliders di muoni. A cuntrariu di l'adroni è l'elettroni chì ùn decadenu micca, i muoni anu una vita corta di solu 2.2 microsecondi prima di decadenza in un elettrone è neutrini. Ma a vita di u muone aumenta cù l'energia chì implica chì a so decadenza pò esse posposta se accelerata rapidamente. Ma l'accelerazione di i muoni hè tecnicamente difficiule perchè ùn anu micca a listessa direzzione o velocità.
Ricertamenti, i circadori in Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) anu riesciutu à superà e sfide di a tecnulugia di muoni. Anu riesciutu à accelerà un muone pusitivu à circa 4% di a velocità di a luce per a prima volta in u mondu. Questa era a prima manifestazione di rinfrescante è accelerazione di muone pusitivu dopu anni di sviluppu cuntinuu di tecnulugia di rinfrescante è accelerazione.
L'acceleratore di protoni in J-PARC produce circa 100 milioni di muoni per seconda. Questu hè fattu per accelerà i protoni à vicinu à a vitezza di a luce è chì permettenu di chjappà u grafite per furmà pioni. I muoni sò furmati cum'è u pruduttu di decadenza di i pioni.
U squadra di ricerca hà pruduciutu muoni pusitivi chì anu una vitezza di circa 30% a vitezza di a luce è li spara in aerogel di silice. I muoni permessi di cumminà cù l'elettroni in l'aerogel di silice chì risultatu in a furmazione di muonium (una particella neutra, simile à l'atomu o pseudo atomu custituitu da un muone pusitivu in u centru è un elettrone intornu à u muone pusitivu). In seguitu, l'elettroni sò stati strappati da u muonium per via di l'irradiazione di u laser chì hà datu muoni pusitivi rinfriscati à circa 0.002% di a velocità di a luce. Dopu quì, i muoni pusitivi rinfriscati sò stati accelerati utilizendu un campu elettricu di frequenze radio. I muoni pusitivi accelerati cusì creati eranu direzzione perchè partenu da quasi cero diventendu un fasciu di muoni altamente direzzione mentre sò gradualmente accelerati righjunghjendu circa 4% di a velocità di a luce. Questa hè una tappa in a tecnulugia di accelerazione di muoni.
U gruppu di ricerca hà pensatu à accelerà eventualmente i muoni pusitivi à u 94% di a velocità di a luce.
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Da vede:
- Università di Oregon. L'Universu Primu - Versu u principiu di Tim. Disponibile à https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Accelerazione di a scienza - Muon collider. Disponibile à https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Comunicatu di stampa - U primu rinfrescante è accelerazione di muoni in u mondu. Posted 23 May 2024. Disponibile à https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Accelerazione di muoni pusitivi da una cavità di radiofrequenza. Preprint à arXiv. Inviatu u 15 ottobre 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
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 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}