פּאַרטאַקאַל קאַלידערז פֿאַר לערנען פון "זייער פרי אַלוועלט": מואָן קאַליידער דעמאַנסטרייטיד

פּאַרטאַקאַל אַקסעלעראַטאָרס זענען געניצט ווי פאָרשונג מכשירים פֿאַר די לערנען פון זייער פרי אַלוועלט. האַדראָן קאַלידערז (ספּעציעל CERN ס גרויס האַדראָן קאַליידער להק) און עלעקטראָן-פּאָזיטראָן קאַלידערז זענען אין פראָנט פון די ויספאָרשונג פון זייער פרי אַלוועלט. די ATLAS און CMS יקספּעראַמאַנץ אין די גרויס האַדראָן קאַליידער (להק) זענען געראָטן אין דיסקאַווערד היגגס באָסאָן אין 2012. מואָן קאַליידער קען זיין פון היפּש נוצן אין אַזאַ שטודיום, אָבער עס איז נישט אַ פאַקט נאָך. פאָרשער האָבן איצט געראָטן צו פאַרגיכערן אַ positive מואָן צו בעערעך 4% פון די גיכקייַט פון ליכט. דאָס איז די וועלט 'ס ערשטער קאָאָלינג און אַקסעלעריישאַן פון מואָן. ווי דערווייַז-פון-באַגריף דעמאַנסטריישאַן, דאָס פּאַוועס דעם וועג פֿאַר רעאַליזיישאַן פון דער ערשטער מואָן אַקסעלעראַטאָר אין לעבן צוקונפֿט.  

דער פרי אַלוועלט איז דערווייַל געלערנט דורך די James Webb Space Telescope (JWST). דעדאַקייטאַד אויסשליסלעך צו די לערנען פון פרי אַלוועלט, JWST טוט דאָס דורך פּיקינג אַרויף אָפּטיש / ינפרערעד סיגנאַלז פון די פרי שטערן און גאַלאַקסיעס געשאפן אין די וניווערסע נאָך די ביג באַנג. לעצטנס, JWST הצלחה דיסקאַווערד די מערסט ווייַט גאַלאַקסי JADES-GS-z14-0 געשאפן אין דער פרי אַלוועלט וועגן 290 מיליאָן יאר נאָך די ביג באַנג.  

עס זענען דריי פייזאַז פון די אַלוועלט - ראַדיאַציע טקופע, מאַטעריע טקופע און די קראַנט פינצטער ענערגיע טקופע. פון די ביג באַנג ביז וועגן 50,000 יאָר, די אַלוועלט איז דאַמאַנייטאַד דורך ראַדיאַציע. נאָך דעם איז געווען דער ענין תקופה. די גאַלאַקטיק עפּאָכע פון ​​די ענין טקופע וואָס לאַסטיד פון וועגן 200 יאָרן נאָך די ביג באַנג צו וועגן 3 ביליאָן יאָרן נאָך די ביג באַנג איז קעראַקטערייזד דורך פאָרמירונג פון גרויס סטראַקטשערז ווי גאַלאַקסיעס. די עפּאָס איז יוזשאַוואַלי ריפערד ווי "פרי אַלוועלט" וואָס JWST שטודירט.  

"זייער פרי אַלוועלט" רעפערס צו די ערליאַסט פאַסע פון ​​די אַלוועלט באַלד נאָך די ביג באַנג ווען עס איז געווען גאָר הייס און איז געווען דאַמאַנייטאַד גאָר דורך די ראַדיאַציע. די פּלאַנק עפּאָכע איז דער ערשטער עפּאָכע פון ​​די ראַדיאַציע עפאכע וואָס דויערט פון די ביג באַנג ביז 10^{-קסנומקס} ס. מיט אַ טעמפּעראַטור פון 10³² ק, די אַלוועלט איז געווען סופּער-הייס אין דעם עפּאָכע. די פּלאַנק עפּאָכע איז נאכגעגאנגען דורך די קוואַרק, לעפּטאָן, און נוקלעאַר עפּאָכע; אַלע זענען געווען קורץ-געלעבט אָבער קעראַקטערייזד דורך גאָר הויך טעמפּעראַטורעס וואָס ביסלעכווייַז רידוסט ווי די אַלוועלט יקספּאַנדיד.  

דירעקט לערנען פון דעם ערליאַסט פאַסע פון ​​אַלוועלט איז ניט מעגלעך. וואָס קענען זיין געטאן איז צו ריקריייט די באדינגונגען פון די ערשטער דריי מינוט פון די אַלוועלט נאָך די ביג באַנג אין די פּאַרטאַקאַל אַקסעלעראַטאָרס. די דאַטן דזשענערייטאַד דורך קאַליזשאַנז פון די פּאַרטיקאַלז אין אַקסעלעראַטאָרס / קאַלידערז פאָרשלאָגן אַ ומדירעקט פֿענצטער צו זייער פרי אַלוועלט.  

קאַליידערז זענען זייער וויכטיק פאָרשונג מכשירים אין פּאַרטאַקאַל פיזיק. דאס זענען קייַלעכיק אָדער לינעאַר מאשינען וואָס פאַרגיכערן פּאַרטיקאַלז צו זייער הויך ספּידז נאָענט צו די גיכקייַט פון ליכט און לאָזן זיי צו קאַלייד קעגן אן אנדער פּאַרטאַקאַל וואָס קומט פון פאַרקערט ריכטונג אָדער קעגן אַ ציל. די קאַליזשאַנז דזשענערייט גאָר הויך טעמפּעראַטורעס אין די סדר פון טריליאַנז פון קעלווין (ענלעך צו טנאָים פאָרשטעלן אין די ערליאַסט עפּאָקס פון די ראַדיאַציע טקופע). די ענערגיעס פון קאַליידינג פּאַרטיקאַלז זענען צוגעלייגט דערפאר די צונויפשטויס ענערגיע איז העכער וואָס איז פארוואנדלען אין מאַטעריע אין די פאָרעם פון מאַסיוו פּאַרטיקאַלז וואָס עקסיסטירט אין די זייער פרי אַלוועלט לויט די מאַסע-ענערגיע סימעטריע. אַזאַ ינטעראַקשאַנז צווישן הויך ענערגיע פּאַרטיקאַלז אין די באדינגונגען וואָס זענען געווען אין דער זייער פרי אַלוועלט געבן פֿענצטער צו די אַנדערש ינאַקסעסאַבאַל וועלט פון דער צייט און אַנאַליסיס פון די בייפּראָדוקטן פון קאַליזשאַנז אָפפערס אַ וועג צו פֿאַרשטיין די גאַווערנינג געזעצן פון פיזיק.  

טאָמער, די מערסט באַרימט ביישפּיל פון קאַליידערז איז CERN ס גרויס האַדראָן קאַליידער (להק) דהײַנו., גרויס סייזד קאַליידערז ווו האַדראָנס (קאָמפּאָסיטע פּאַרטיקאַלז געמאכט פון קוואַרקס בלויז אַזאַ ווי פּראָטאָנס און נעוטראָן) קאַלייד. עס איז דער גרעסטער און די מעכטיגסטער קאליידער אין דער וועלט וואס דזשענערירט צוזאמענשטויסן מיט אן ענערגיע פון ​​13 טעוו (טעראלעקטראוואלטס) וואס איז די העכסטע ענערגיע וואס א אַקסעלעראַטאָר דערגרייכט. לערנען פון בייפּראָדוקטן פון די קאַליזשאַנז איז געווען זייער באַרייַכערן ביז איצט. די אנטדעקונג פון Higgs באָסאָן אין 2012 דורך די ATLAS און CMS יקספּעראַמאַנץ אין די Large Hadron Collider (LHC) איז אַ מיילסטאָון אין וויסנשאַפֿט.  

די וואָג פון לערנען פון פּאַרטאַקאַל ינטעראַקשאַן איז באשלאסן דורך די ענערגיע פון ​​​​די אַקסעלעראַטאָר. פארן אויספארן אין קלענערע און קלענערע וואלן, פארלאנגט מען אַקסעלעראַטאָרס פון העכער און העכערער ענערגיע. אַזוי, עס איז שטענדיק אַ זוכן פֿאַר העכער ענערגיע אַקסעלערייטערז ווי דערווייַל בנימצא פֿאַר די פול עקספּלעריישאַן פון די נאָרמאַל מאָדעל פון פּאַרטאַקאַל פיזיק און ויספאָרשונג אין קלענערער וואָג. דעריבער, עטלעכע נייַ העכער ענערגיע אַקסעלערייטערז זענען דערווייַל אין רערנ - ליניע.  

CERN ס הויך-לומינאָסיטי גרויס האַדראָן קאַליידער (HL - LHC), וואָס איז מסתּמא צו זיין אַפּעריישאַנאַל אין 2029, איז דיזיינד צו פאַרגרעסערן די פאָרשטעלונג פון LHC דורך ינקריסינג די נומער פון קאַליזשאַנז צו לאָזן לערנען באַוווסט מעקאַניזאַמז אין מער דעטאַל. אויף די אנדערע האַנט, Future Circular Collider (FCC) איז CERN ס העכסט אַמביציעס פּרויעקט פון העכער פאָרשטעלונג פּאַרטאַקאַל קאַליידערז וואָס וואָלט זיין וועגן 100 קילאמעטער אין אַרומנעם 200 מעטער אונטער דער ערד און וואָלט נאָכפאָלגן די גרויס האַדראָן קאַליידער (LHC). זיין קאַנסטראַקשאַן איז מסתּמא צו אָנהייבן אין 2030 ס און וואָלט זיין ימפּלאַמענאַד אין צוויי סטאַגעס: FCC-ee (פּינטלעכקייַט מעזשערמאַנץ) וועט זיין אַפּעריישאַנאַל אין מיטן 2040 ס בשעת FCC-hh (הויך ענערגיע) הייבט אָפּעראַציע אין 2070 ס. FCC זאָל ויספאָרשן די עקזיסטענץ פון נייַ, כעוויער פּאַרטיקאַלז, ווייַטער פון די דערגרייכן פון די LHC און די עקזיסטענץ פון לייטער פּאַרטיקאַלז וואָס ינטעראַקט זייער שוואַך מיט נאָרמאַל מאָדעל פּאַרטיקאַלז.  

אזוי, איין גרופּע פון ​​פּאַרטיקאַלז וואָס צונויפפאַלן אין אַ קאַליידער זענען האַדראָנס אַזאַ ווי פּראָטאָנס און קערן וואָס זענען קאַמפּאַזאַט פּאַרטיקאַלז געמאכט פון קוואַרקס. די זענען שווער און לאָזן ריסערטשערז צו דערגרייכן הויך ענערגיע ווי אין די פאַל פון LHC. אנדערע גרופּע איז פון לעפּטאָן אַזאַ ווי עלעקטראָנס און פּאָסיטראָנס. די פּאַרטיקאַלז קענען אויך קאַלייד ווי אין די פאַל פון גרויס עלעקטראָן-פּאָסיטראָן קאַליידער (LEPC) און סופּערקעקב קאַליידער. איין הויפּט פּראָבלעם מיט די עלעקטראָן-פּאָזיטראָן באזירט לעפּטאָן קאַליידער איז גרויס ענערגיע אָנווער רעכט צו סינטשראָטראָן ראַדיאַציע ווען פּאַרטיקאַלז זענען געצווונגען אין קייַלעכיק אָרביט וואָס קענען זיין באַקומען דורך ניצן מואָנס. ווי עלעקטראָנס, מואַנז זענען עלעמענטאַר פּאַרטאַקאַל אָבער זענען 200 מאל כעוויער ווי עלעקטראָנס, דעריבער פיל ווייניקער ענערגיע אָנווער רעכט צו סינקראָטראָן ראַדיאַציע.  

ניט ענלעך האַדראָן קאַליידערז, אַ מואָן קאַליידער קענען לויפן מיט ווייניקער ענערגיע וואָס מאכט אַ 10 טעוו מואָן קאַליידער אין פּאַר מיט אַ 100 טעוו האַדראָן קאַליידער. דעריבער, מואָן קאַלידערז קען ווערן מער באַטייַטיק נאָך הויך לומינאָסיטי גרויס האַדראָן קאַליידער (HL - LHC) פֿאַר הויך ענערגיע פיזיק יקספּעראַמאַנץ קעגן FCC-ee, אָדער CLIC (סאָליד לינעאַר קאַליידער) אָדער ILC (אינטערנאציאנאלע לינעאַר קאַליידער). געגעבן פּראָוטראַקטיד טיימליינז פון הויך ענערגיע צוקונפֿט קאַלידערז, מואָן קאַלידערז קען זיין בלויז פּאָטענציעל פאָרשונג געצייַג אין פּאַרטאַקאַל פיזיק פֿאַר די ווייַטער דריי יאָרצענדלינג. מואָנס קענען זיין נוציק פֿאַר הינטער-גענוי מעזשערמאַנט פון אַנאַמאַלאַס מאַגנעטיק מאָמענט (ג-2) און עלעקטריק דיפּאָלע מאָמענט (EDM) צו ויספאָרשן ווייַטער פון די נאָרמאַל מאָדעל. די מואָן טעכנאָלאָגיע האט אַפּלאַקיישאַנז אויך אין עטלעכע ינטערדיססיפּלינאַרי פאָרשונג געביטן.  

אָבער, עס זענען טעכניש טשאַלאַנדזשיז אין ריאַלייזינג מואָן קאַלידערז. ניט ענלעך האדראָנס און עלעקטראָנס וואָס פאַרפוילן נישט, מואַנז האָבן אַ קורץ לעבן פון בלויז 2.2 מיקראָסעקאָנדס איידער עס פאַרפוילן אין אַן עלעקטראָן און נעוטרינאָס. אָבער די לעבן פון מואָן ינקריסיז מיט ענערגיע וואָס ימפּלייז זיין פאַרפוילן קענען זיין פּאָוסטפּאָונד אויב אַקסעלערייטיד געשווינד. אבער צו פאַרגיכערן מיאַנז איז טעקניקלי שווער ווייַל זיי טאָן ניט האָבן די זעלבע ריכטונג אָדער גיכקייַט.  

לעצטנס, די ריסערטשערז פון יאַפּאַן פּראָטאָן אַקסעלעראַטאָר פאָרשונג קאָמפּלעקס (J-PARC) האָבן סאַקסידיד צו אָוווערקאַמינג מיאָן טעכנאָלאָגיע טשאַלאַנדזשיז. זיי זענען געראָטן צו פאַרגיכערן אַ positive מואָן צו בעערעך 4% פון די גיכקייַט פון ליכט פֿאַר די ערשטער מאָל אין דער וועלט. דאָס איז געווען דער ערשטער דעמאַנסטריישאַן פון קאָאָלינג און אַקסעלעריישאַן פון positive מואָן נאָך יאָרן פון קעסיידערדיק אַנטוויקלונג פון קאָאָלינג און אַקסעלעריישאַן טעקנאַלאַדזשיז.  

די פּראָטאָן אַקסעלעראַטאָר ביי J-PARC טראגט בעערעך 100 מיליאָן מואַנז פּער סעקונדע. דעם איז געטאן דורך אַקסעלערייטינג פּראָטאָנס צו נאָענט די גיכקייַט פון ליכט און אַלאַוינג עס צו שלאָגן גראַפייט צו פאָרעם פּיאַנז. מואָנס זענען געשאפן ווי פאַרפוילן פּראָדוקט פון פּיאַנז.  

די פאָרשונג מאַנשאַפֿט געשאפן positive מואַנז מיט אַ גיכקייַט פון וועגן 30% פון די גיכקייַט פון ליכט און שאָס זיי אין סיליקאַ אַעראָגעל. די ערלויבט מואָנס צו פאַרבינדן מיט עלעקטראָנס אין די סיליקאַ אַירגעל ריזאַלטינג אין פאָרמירונג פון מואָניום (אַ נייטראַל, אַטאָם-ווי פּאַרטאַקאַל אָדער פּסעוודאָ אַטאָם קאַנסיסטינג פון אַ positive מואָן אין דעם צענטער און אַן עלעקטראָן אַרום די positive מואָן). דערנאָך, עלעקטראָנס זענען סטריפּט אַוועק פון מואָניום דורך יריידייישאַן דורך לאַזער וואָס האט positive מואַנז קולד צו אַרום 0.002% פון די גיכקייַט פון ליכט. נאָך דעם, די קולד positive מואַנז זענען אַקסעלערייטיד ניצן ראַדיאָ-אָפטקייַט עלעקטריק פעלד. די אַקסעלערייטיד positive מואָנס אַזוי באשאפן זענען דירעקטיאָנאַל ווייַל זיי סטאַרטעד פֿון נאָענט נול און ווערן העכסט דירעקטיאָנאַל מואָן שטראַל ווי ביסלעכווייַז אַקסעלערייטיד ריטשינג בעערעך 4% פון די גיכקייַט פון ליכט. דאָס איז אַ מיילסטאָון אין מואָן אַקסעלעריישאַן טעכנאָלאָגיע.  

די פאָרשונג מאַנשאַפֿט פּלאַנז צו יווענטשאַוואַלי פאַרגיכערן positive מואַנז צו 94% פון די גיכקייַט פון ליכט. 

*** 

רעפֿערענצן:  

1. אוניווערסיטעט פון אָרעגאָן. דער פרי וניווערסע - צו די אָנהייב פון טים. בנימצא אין https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. אַקסעלערייטינג וויסנשאַפֿט - מואָן קאַליידער. בנימצא אין https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. דזש-פּאַרק. דרוק מעלדונג - וועלט 'ס ערשטער קאָאָלינג און אַקסעלעריישאַן פון מואָן. אַרייַנגעשיקט 23 מאי 2024. בנימצא אין https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. אַקסעלעריישאַן פון positive מואַנז דורך אַ ראַדיאָ-אָפטקייַט קאַוואַטי. פּריפּרינט ביי arXiv. דערלאנגט אויף 15 אקטאבער 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

פֿאַרבונדענע ארטיקלען  

פונדאַמענטאַל פּאַרטיקאַלז א שנעל קוק. קוואַנטום ענטאַנגלעמענט צווישן "שפּיץ קוואַרקס" אין די העכסטן ענערגיעס באמערקט  (22 סעפטעמבער 2024).  

***