Pemecut zarah digunakan sebagai alat penyelidikan untuk kajian alam semesta yang sangat awal. Pelanggar Hadron (terutamanya Large Hadron Collider LHC CERN) dan pelanggar elektron-positron berada di hadapan dalam penerokaan alam semesta yang sangat awal. Eksperimen ATLAS dan CMS di Large Hadron Collider (LHC) telah berjaya menemui Higgs boson pada tahun 2012. Muon collider boleh digunakan dalam kajian sedemikian namun ia belum menjadi kenyataan. Penyelidik kini telah berjaya mempercepatkan muon positif kepada kira-kira 4% daripada kelajuan cahaya. Ini adalah penyejukan dan pecutan muon pertama di dunia. Sebagai demonstrasi bukti konsep, ini membuka jalan untuk merealisasikan pemecut muon pertama dalam masa terdekat.
Alam semesta awal kini sedang dikaji oleh Teleskop Angkasa James Webb (JWST). Didedikasikan secara eksklusif untuk kajian alam semesta awal, JWST melakukannya dengan mengambil isyarat optik/inframerah daripada bintang dan galaksi awal yang terbentuk di Alam Semesta selepas Letupan Besar. Baru-baru ini, JWST berjaya menemui galaksi paling jauh JADES-GS-z14-0 yang terbentuk di alam semesta awal kira-kira 290 juta tahun selepas Letupan Besar.
Terdapat tiga fasa alam semesta - era sinaran, era jirim dan era tenaga gelap semasa. Dari Letupan Besar hingga kira-kira 50,000 tahun, alam semesta dikuasai oleh radiasi. Ini diikuti dengan era perkara. Zaman galaksi era jirim yang berlangsung dari kira-kira 200 juta tahun selepas Big Bang hingga kira-kira 3 bilion tahun selepas Big Bang dicirikan oleh pembentukan struktur besar seperti galaksi. Zaman ini biasanya dirujuk sebagai "alam semesta awal" yang dikaji oleh JWST.
"Alam semesta sangat awal" merujuk kepada fasa terawal alam semesta sejurus selepas Letupan Besar apabila ia sangat panas dan dikuasai sepenuhnya oleh sinaran. Zaman Plank adalah zaman pertama era radiasi yang berlangsung dari Big Bang hingga 10-43 s. Dengan suhu 1032 K, alam semesta sangat panas pada zaman ini. Zaman Planck diikuti oleh zaman Quark, Lepton, dan Nuklear; semuanya berumur pendek tetapi dicirikan oleh suhu yang sangat tinggi yang beransur-ansur berkurangan apabila alam semesta mengembang.
Kajian langsung tentang fasa alam semesta yang terawal ini tidak mungkin dilakukan. Apa yang boleh dilakukan ialah mencipta semula keadaan tiga minit pertama alam semesta selepas Letupan Besar dalam pemecut zarah. Data yang dijana oleh perlanggaran zarah dalam pemecut/pelanggar menawarkan tingkap tidak langsung kepada alam semesta yang sangat awal.
Colliders adalah alat penyelidikan yang sangat penting dalam fizik zarah. Ini adalah mesin bulat atau linear yang mempercepatkan zarah kepada kelajuan yang sangat tinggi hampir dengan kelajuan cahaya dan membolehkannya berlanggar dengan zarah lain yang datang dari arah bertentangan atau terhadap sasaran. Perlanggaran menjana suhu yang sangat tinggi dalam susunan trilion Kelvin (serupa dengan keadaan yang ada pada zaman terawal era sinaran). Tenaga zarah yang berlanggar ditambah maka tenaga perlanggaran adalah lebih tinggi yang diubah menjadi jirim dalam bentuk zarah besar yang wujud di alam semesta yang sangat awal mengikut simetri jisim-tenaga. Interaksi sedemikian antara zarah tenaga tinggi dalam keadaan yang wujud di alam semesta yang sangat awal memberikan tingkap kepada dunia yang tidak boleh diakses pada masa itu dan analisis hasil sampingan perlanggaran menawarkan cara untuk memahami undang-undang fizik yang mengawal.
Mungkin, contoh pelanggar yang paling terkenal ialah Pelanggar Hadron Besar (LHC) CERN iaitu, pelanggar bersaiz besar di mana hadron (zarah komposit yang diperbuat daripada kuark sahaja seperti proton dan neutron) berlanggar. Ia adalah pelanggar terbesar dan paling berkuasa di dunia yang menghasilkan perlanggaran pada tenaga 13 TeV (teraelectronvolts) yang merupakan tenaga tertinggi yang dicapai oleh pemecut. Kajian hasil sampingan perlanggaran telah sangat memperkaya setakat ini. Penemuan Higgs boson pada tahun 2012 oleh eksperimen ATLAS dan CMS di Large Hadron Collider (LHC) merupakan satu peristiwa penting dalam sains.
Skala kajian interaksi zarah ditentukan oleh tenaga pemecut. Untuk meneroka pada skala yang lebih kecil dan lebih kecil, seseorang memerlukan pemecut tenaga yang lebih tinggi dan lebih tinggi. Oleh itu, sentiasa ada usaha untuk pemecut bertenaga lebih tinggi daripada yang tersedia pada masa ini untuk penerokaan penuh model standard fizik zarah dan penyiasatan pada skala yang lebih kecil. Oleh itu, beberapa pemecut bertenaga tinggi baharu sedang dalam perancangan.
Pelanggar Hadron Besar Bercahaya Tinggi (HL – LHC) CERN, yang berkemungkinan akan beroperasi menjelang 2029, direka bentuk untuk menambah prestasi LHC dengan meningkatkan bilangan perlanggaran supaya membolehkan kajian mekanisme yang diketahui dengan lebih terperinci. Sebaliknya, Future Circular Collider (FCC) ialah projek pelanggar zarah berprestasi tinggi CERN yang bercita-cita tinggi tinggi yang akan berada kira-kira 100 km dalam lilitan 200 meter di bawah tanah dan akan menyusul dari Large Hadron Collider (LHC). Pembinaannya mungkin akan bermula pada tahun 2030-an dan akan dilaksanakan dalam dua peringkat: FCC-ee (ukuran ketepatan) akan beroperasi pada pertengahan 2040-an manakala FCC-hh (tenaga tinggi) mula beroperasi pada 2070-an. FCC harus meneroka kewujudan zarah baharu yang lebih berat, di luar jangkauan LHC dan kewujudan zarah lebih ringan yang berinteraksi dengan sangat lemah dengan zarah Model Standard.
Oleh itu, satu kumpulan zarah yang berlanggar dalam collider ialah hadron seperti proton dan nukleus yang merupakan zarah komposit yang diperbuat daripada kuark. Ini adalah berat dan membolehkan penyelidik mencapai tenaga tinggi seperti dalam kes LHC. Kumpulan lain ialah lepton seperti elektron dan positron. Zarah-zarah ini juga boleh berlanggar seperti dalam kes Large Electron-Positron Collider (LEPC) dan SuperKEKB collider. Satu isu utama dengan kolider lepton berasaskan elektron-positron ialah kehilangan tenaga yang besar akibat sinaran sinkrotron apabila zarah dipaksa dalam orbit bulat yang boleh diatasi dengan menggunakan muon. Seperti elektron, muon adalah zarah asas tetapi 200 kali lebih berat daripada elektron justeru kehilangan tenaga lebih sedikit akibat sinaran sinkrotron.
Tidak seperti pelanggar hadron, pelanggar muon boleh berjalan menggunakan kurang tenaga yang menjadikan pelanggar muon 10 TeV setanding dengan pelanggar hadron 100 TeV. Oleh itu, pelanggar muon mungkin menjadi lebih relevan selepas Pelanggar Hadron Besar Bercahaya Tinggi (HL – LHC) untuk eksperimen fizik tenaga tinggi berbanding FCC-ee, atau KLIK (Compact Linear Collider) atau ILC (Pelanggar Linear Antarabangsa). Memandangkan garis masa yang berlarutan bagi pelanggar masa hadapan tenaga tinggi, pelanggar muon hanya boleh menjadi alat penyelidikan yang berpotensi dalam fizik zarah untuk tiga dekad akan datang. Muon boleh berguna untuk pengukuran ultra-tepat momen magnet anomali (g-2) dan momen dipol elektrik (EDM) ke arah penerokaan melebihi model standard. Teknologi muon mempunyai aplikasi juga dalam beberapa bidang penyelidikan antara disiplin.
Walau bagaimanapun, terdapat cabaran teknikal dalam merealisasikan muon colliders. Tidak seperti hadron dan elektron yang tidak reput, muon mempunyai jangka hayat yang singkat hanya 2.2 mikrosaat sebelum ia mereput menjadi elektron dan neutrino. Tetapi jangka hayat muon meningkat dengan tenaga yang membayangkan pereputannya boleh ditangguhkan jika dipercepatkan dengan cepat. Tetapi memecut muon secara teknikalnya sukar kerana mereka tidak mempunyai arah atau kelajuan yang sama.
Baru-baru ini, penyelidik di Kompleks Penyelidikan Pemecut Proton Jepun (J-PARC) telah berjaya mengatasi cabaran teknologi muon. Mereka berjaya mempercepatkan muon positif kepada kira-kira 4% daripada kelajuan cahaya buat kali pertama di dunia. Ini adalah demonstrasi pertama penyejukan dan pecutan muon positif selepas bertahun-tahun pembangunan berterusan teknologi penyejukan dan pecutan.
Pemecut proton di J-PARC menghasilkan kira-kira 100 juta muon sesaat. Ini dilakukan dengan mempercepatkan proton kepada kelajuan cahaya dan membenarkannya memukul grafit untuk membentuk pion. Muon terbentuk sebagai hasil pereputan pion.
Pasukan penyelidik menghasilkan muon positif yang mempunyai kelajuan kira-kira 30% kelajuan cahaya dan menembaknya ke dalam silika aerogel. Muon yang dibenarkan untuk bergabung dengan elektron dalam aerogel silika mengakibatkan pembentukan muonium (zarah neutral, seperti atom atau atom pseudo yang terdiri daripada muon positif di tengah dan elektron di sekeliling muon positif). Selepas itu, elektron telah dilucutkan daripada muonium melalui penyinaran oleh laser yang memberikan muon positif disejukkan kepada sekitar 0.002% daripada kelajuan cahaya. Selepas itu, muon positif yang disejukkan telah dipercepatkan menggunakan medan elektrik frekuensi radio. Muon positif dipercepatkan yang dicipta adalah berarah kerana ia bermula dari hampir sifar menjadi pancaran muon berarah tinggi kerana dipercepatkan secara beransur-ansur mencapai kira-kira 4% daripada kelajuan cahaya. Ini adalah peristiwa penting dalam teknologi pecutan muon.
Pasukan penyelidik merancang untuk akhirnya mempercepatkan muon positif kepada 94% daripada kelajuan cahaya.
***
Rujukan:
- Universiti Oregon. Alam Semesta Awal - Menjelang Permulaan Tim. Boleh didapati di https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Mempercepatkan sains – Muon collider. Tersedia di https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Siaran akhbar – Penyejukan dan pecutan muon pertama di dunia. Disiarkan pada 23 Mei 2024. Boleh didapati di https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Pecutan muon positif oleh rongga frekuensi radio. Pracetak di arXiv. Dihantar pada 15 Oktober 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Related articles
Zarah asas Pandangan pantas. Jalinan Kuantum antara “Kuar Teratas” pada Tenaga Tertinggi Yang Diperhatikan (22 September 2024).
***
