Máy va chạm hạt để nghiên cứu “Vũ trụ rất sơ khai”: Máy va chạm Muon được chứng minh

Máy gia tốc hạt được sử dụng như công cụ nghiên cứu để nghiên cứu vũ trụ rất sớm. Máy va chạm Hadron (đặc biệt là Máy va chạm Hadron lớn LHC của CERN) và máy va chạm electron-positron đang đi đầu trong việc khám phá vũ trụ rất sớm. Các thí nghiệm ATLAS và CMS tại Máy va chạm Hadron lớn (LHC) đã thành công trong việc khám phá ra boson Higgs vào năm 2012. Máy va chạm Muon có thể có ích đáng kể trong các nghiên cứu như vậy tuy nhiên nó vẫn chưa phải là hiện thực. Các nhà nghiên cứu hiện đã thành công trong việc tăng tốc một muon dương lên khoảng 4% tốc độ ánh sáng. Đây là lần đầu tiên trên thế giới làm mát và tăng tốc muon. Là một minh chứng cho khái niệm, điều này mở đường cho việc hiện thực hóa máy gia tốc muon đầu tiên trong tương lai gần.  

Vũ trụ sơ khai hiện đang được nghiên cứu bởi Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST). Dành riêng cho việc nghiên cứu vũ trụ sơ khai, JWST thực hiện điều này bằng cách thu thập các tín hiệu quang học/hồng ngoại từ các ngôi sao và thiên hà sơ khai hình thành trong Vũ trụ sau Vụ nổ lớn. Gần đây, JWST đã phát hiện thành công thiên hà xa nhất JADES-GS-z14-0 hình thành trong vũ trụ sơ khai khoảng 290 triệu năm sau Vụ nổ lớn.  

Có ba giai đoạn của vũ trụ – kỷ nguyên bức xạ, kỷ nguyên vật chất và kỷ nguyên năng lượng tối hiện tại. Từ Vụ nổ lớn đến khoảng 50,000 năm, vũ trụ bị chi phối bởi bức xạ. Tiếp theo là kỷ nguyên vật chất. Kỷ nguyên thiên hà của kỷ nguyên vật chất kéo dài từ khoảng 200 triệu năm sau Vụ nổ lớn đến khoảng 3 tỷ năm sau Vụ nổ lớn được đặc trưng bởi sự hình thành các cấu trúc lớn như thiên hà. Kỷ nguyên này thường được gọi là "vũ trụ sơ khai" mà JWST nghiên cứu.  

“Vũ trụ rất sớm” ám chỉ giai đoạn sớm nhất của vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn khi nó cực kỳ nóng và bị chi phối hoàn toàn bởi bức xạ. Kỷ nguyên Plank là kỷ nguyên đầu tiên của kỷ nguyên bức xạ kéo dài từ Vụ nổ lớn đến 10^-43 s. Với nhiệt độ 10³² K, vũ trụ cực kỳ nóng trong kỷ nguyên này. Kỷ nguyên Planck được theo sau bởi kỷ nguyên Quark, Lepton và hạt nhân; tất cả đều tồn tại trong thời gian ngắn nhưng được đặc trưng bởi nhiệt độ cực cao, giảm dần khi vũ trụ giãn nở.  

Nghiên cứu trực tiếp giai đoạn đầu tiên này của vũ trụ là không thể. Điều có thể làm là tái tạo các điều kiện của ba phút đầu tiên của vũ trụ sau Vụ nổ lớn trong các máy gia tốc hạt. Dữ liệu được tạo ra bởi các vụ va chạm của các hạt trong máy gia tốc/máy va chạm cung cấp một cửa sổ gián tiếp đến vũ trụ rất sớm.  

Máy va chạm là công cụ nghiên cứu rất quan trọng trong vật lý hạt. Đây là những cỗ máy tròn hoặc tuyến tính giúp tăng tốc các hạt lên tốc độ rất cao gần bằng tốc độ ánh sáng và cho phép chúng va chạm với một hạt khác đến từ hướng ngược lại hoặc với một mục tiêu. Các vụ va chạm tạo ra nhiệt độ cực cao theo thứ tự hàng nghìn tỷ Kelvin (tương tự như các điều kiện hiện diện trong các kỷ nguyên đầu tiên của kỷ nguyên bức xạ). Năng lượng của các hạt va chạm được cộng lại do đó năng lượng va chạm cao hơn được chuyển thành vật chất dưới dạng các hạt có khối lượng tồn tại trong vũ trụ rất sớm theo tính đối xứng khối lượng-năng lượng. Những tương tác như vậy giữa các hạt năng lượng cao trong các điều kiện tồn tại trong vũ trụ rất sớm cung cấp các cửa sổ để tiếp cận thế giới không thể tiếp cận được vào thời điểm đó và việc phân tích các sản phẩm phụ của các vụ va chạm cung cấp một cách để hiểu các định luật chi phối của vật lý.  

Có lẽ, ví dụ nổi tiếng nhất về máy va chạm là Máy va chạm Hadron lớn (LHC) của CERN, tức là máy va chạm kích thước lớn, nơi các hadron (các hạt hỗn hợp chỉ gồm quark như proton và neutron) va chạm. Đây là máy va chạm lớn nhất và mạnh nhất trên thế giới tạo ra các va chạm ở mức năng lượng 13 TeV (teraelectronvolt), là mức năng lượng cao nhất mà một máy gia tốc đạt được. Nghiên cứu về các sản phẩm phụ của các va chạm cho đến nay rất bổ ích. Việc phát hiện ra boson Higgs vào năm 2012 bởi các thí nghiệm ATLAS và CMS tại Máy va chạm Hadron lớn (LHC) là một cột mốc trong khoa học.  

Quy mô nghiên cứu tương tác hạt được xác định bởi năng lượng của máy gia tốc. Để khám phá ở quy mô ngày càng nhỏ hơn, người ta cần các máy gia tốc có năng lượng ngày càng cao hơn. Vì vậy, luôn có một cuộc tìm kiếm các máy gia tốc năng lượng cao hơn hiện có để khám phá đầy đủ mô hình chuẩn của vật lý hạt và nghiên cứu ở quy mô nhỏ hơn. Do đó, một số máy gia tốc năng lượng cao mới hiện đang được triển khai.  

Máy va chạm Hadron lớn có độ sáng cao (HL – LHC) của CERN, có khả năng đi vào hoạt động vào năm 2029, được thiết kế để tăng cường hiệu suất của LHC bằng cách tăng số lượng va chạm để cho phép nghiên cứu các cơ chế đã biết chi tiết hơn. Mặt khác, Máy va chạm tròn tương lai (FCC) là dự án máy va chạm hạt hiệu suất cao đầy tham vọng của CERN, có chu vi khoảng 100 km và sâu 200 mét dưới lòng đất và sẽ tiếp nối Máy va chạm Hadron lớn (LHC). Việc xây dựng máy này có khả năng bắt đầu vào những năm 2030 và sẽ được triển khai theo hai giai đoạn: FCC-ee (đo lường chính xác) sẽ đi vào hoạt động vào giữa những năm 2040 trong khi FCC-hh (năng lượng cao) bắt đầu hoạt động vào những năm 2070. FCC sẽ khám phá sự tồn tại của các hạt mới, nặng hơn, nằm ngoài tầm với của LHC và sự tồn tại của các hạt nhẹ hơn tương tác rất yếu với các hạt của Mô hình chuẩn.  

Do đó, một nhóm các hạt va chạm trong máy va chạm là các hadron như proton và hạt nhân là các hạt tổng hợp được tạo thành từ quark. Chúng nặng và cho phép các nhà nghiên cứu đạt được năng lượng cao như trong trường hợp của LHC. Nhóm khác là các lepton như electron và positron. Các hạt này cũng có thể va chạm như trong trường hợp của Máy va chạm Electron-Positron Lớn (LEPC) và máy va chạm SuperKEKB. Một vấn đề chính với máy va chạm lepton dựa trên electron-positron là mất năng lượng lớn do bức xạ synchrotron khi các hạt bị ép vào quỹ đạo tròn, có thể khắc phục bằng cách sử dụng muon. Giống như electron, muon là hạt cơ bản nhưng nặng hơn electron 200 lần nên mất năng lượng ít hơn nhiều do bức xạ synchrotron.  

Không giống như máy va chạm hadron, máy va chạm muon có thể chạy bằng ít năng lượng hơn, khiến máy va chạm muon 10 TeV ngang bằng với máy va chạm hadron 100 TeV. Do đó, máy va chạm muon có thể trở nên phù hợp hơn sau Máy va chạm Hadron Lớn Độ sáng Cao (HL – LHC) cho các thí nghiệm vật lý năng lượng cao so với FCC-ee, hoặc CLICK (Máy va chạm tuyến tính nhỏ gọn) hoặc ILC (Máy va chạm tuyến tính quốc tế). Với mốc thời gian kéo dài của các máy va chạm tương lai năng lượng cao, máy va chạm muon có thể là công cụ nghiên cứu tiềm năng duy nhất trong vật lý hạt trong ba thập kỷ tới. Muon có thể hữu ích cho phép đo cực kỳ chính xác mô men từ dị thường (g-2) và mô men lưỡng cực điện (EDM) hướng tới việc khám phá vượt ra ngoài mô hình chuẩn. Công nghệ muon cũng có ứng dụng trong một số lĩnh vực nghiên cứu liên ngành.  

Tuy nhiên, có những thách thức về mặt kỹ thuật trong việc hiện thực hóa máy va chạm muon. Không giống như hadron và electron không phân rã, muon có thời gian sống ngắn chỉ 2.2 micro giây trước khi phân rã thành electron và neutrino. Nhưng thời gian sống của muon tăng theo năng lượng ngụ ý rằng sự phân rã của nó có thể bị trì hoãn nếu được tăng tốc nhanh. Nhưng việc tăng tốc muon về mặt kỹ thuật là khó khăn vì chúng không có cùng hướng hoặc tốc độ.  

Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Tổ hợp nghiên cứu máy gia tốc proton Nhật Bản (J-PARC) đã thành công trong việc vượt qua những thách thức về công nghệ muon. Họ đã thành công trong việc tăng tốc một muon dương lên khoảng 4% tốc độ ánh sáng lần đầu tiên trên thế giới. Đây là lần đầu tiên trên thế giới chứng minh được khả năng làm mát và tăng tốc của muon dương sau nhiều năm liên tục phát triển công nghệ làm mát và tăng tốc.  

Máy gia tốc proton tại J-PARC tạo ra khoảng 100 triệu muon mỗi giây. Điều này được thực hiện bằng cách tăng tốc proton lên gần tốc độ ánh sáng và cho phép nó va vào than chì để tạo thành pion. Muon được hình thành như sản phẩm phân rã của pion.  

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các muon dương có tốc độ khoảng 30% tốc độ ánh sáng và bắn chúng vào khí gel silica. Các muon cho phép kết hợp với các electron trong khí gel silica dẫn đến sự hình thành muonium (một hạt trung tính giống như nguyên tử hoặc giả nguyên tử bao gồm một muon dương ở tâm và một electron xung quanh muon dương). Sau đó, các electron bị tách khỏi muonium thông qua chiếu xạ bằng tia laser làm cho muon dương được làm lạnh đến khoảng 0.002% tốc độ ánh sáng. Sau đó, các muon dương được làm lạnh được tăng tốc bằng trường điện tần số vô tuyến. Các muon dương được tăng tốc do đó được tạo ra có tính định hướng vì chúng bắt đầu từ gần số không trở thành chùm muon có tính định hướng cao khi được tăng tốc dần dần đạt tới khoảng 4% tốc độ ánh sáng. Đây là một cột mốc trong công nghệ gia tốc muon.  

Nhóm nghiên cứu có kế hoạch tăng tốc hạt muon dương lên tới 94% tốc độ ánh sáng. 

*** 

Tài liệu tham khảo:  

1. Đại học Oregon. Vũ trụ sơ khai – Hướng tới sự khởi đầu của Tim. Có sẵn tại https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Tăng tốc khoa học – Máy va chạm Muon. Có sẵn tại https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Thông cáo báo chí – Làm mát và tăng tốc muon đầu tiên trên thế giới. Đăng ngày 23 tháng 2024 năm XNUMX. Có tại https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Gia tốc của muon dương bằng khoang tần số vô tuyến. Bản in trước tại arXiv. Đã nộp vào ngày 15 tháng 2024 năm XNUMX. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Các bài liên quan  

Các hạt cơ bản Một cái nhìn nhanh. Sự vướng víu lượng tử giữa “Quark đỉnh” ở mức năng lượng cao nhất được quan sát  (22 tháng 9 2024).  

***