Deeltjesversnellers voor onderzoek naar het ‘zeer vroege heelal’: muonenversneller gedemonstreerd

Deeltjesversnellers worden gebruikt als onderzoekshulpmiddelen voor de studie van het zeer vroege heelal. Hadronenversnellers (met name de Large Hadron Collider LHC van CERN) en elektron-positronenversnellers lopen voorop bij de verkenning van het zeer vroege heelal. De ATLAS- en CMS-experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC) waren succesvol in de ontdekking van het Higgs-boson in 2012. Muonenversnellers kunnen van aanzienlijk nut zijn bij dergelijke studies, maar het is nog geen realiteit. Onderzoekers zijn er nu in geslaagd om een ​​positief muon te versnellen tot ongeveer 4% van de lichtsnelheid. Dit is 's werelds eerste afkoeling en versnelling van muon. Als proof-of-concept-demonstratie baant dit de weg voor de realisatie van de eerste muonversneller in de nabije toekomst.  

Het vroege heelal wordt momenteel bestudeerd door de James Webb Space Telescope (JWST). De JWST is uitsluitend gewijd aan de studie van het vroege heelal en doet dit door optische/infrarode signalen op te pikken van de vroege sterren en sterrenstelsels die in het heelal zijn gevormd na de oerknal. Onlangs ontdekte JWST met succes het meest verre sterrenstelsel JADES-GS-z14-0 dat in het vroege heelal is gevormd, ongeveer 290 miljoen jaar na de oerknal.  

Er zijn drie fasen in het heelal: het stralingstijdperk, het materietijdperk en het huidige donkere energietijdperk. Vanaf de oerknal tot ongeveer 50,000 jaar werd het heelal gedomineerd door straling. Dit werd gevolgd door het materietijdperk. Het galactische tijdperk van het materietijdperk, dat duurde van ongeveer 200 miljoen jaar na de oerknal tot ongeveer 3 miljard jaar na de oerknal, werd gekenmerkt door de vorming van grote structuren zoals sterrenstelsels. Dit tijdperk wordt meestal aangeduid als het "vroege heelal" dat JWST bestudeert.  

"Zeer vroeg heelal" verwijst naar de vroegste fase van het heelal kort na de oerknal, toen het extreem heet was en volledig werd gedomineerd door straling. Het Plank-tijdperk is het eerste tijdperk van het stralingstijdperk dat duurde van de oerknal tot 10^-43 s. Met een temperatuur van 10³² K, het heelal was superheet in dit tijdperk. Het Planck-tijdperk werd gevolgd door de Quark-, Lepton- en Nucleaire tijdperken; allemaal waren ze van korte duur, maar ze werden gekenmerkt door extreem hoge temperaturen die geleidelijk afnamen naarmate het heelal uitdijde.  

Directe studie van deze vroegste fase van het heelal is niet mogelijk. Wat wel kan, is de omstandigheden van de eerste drie minuten van het heelal na de oerknal in de deeltjesversnellers nabootsen. De gegevens die worden gegenereerd door botsingen van de deeltjes in versnellers/colliders bieden een indirect venster naar het zeer vroege heelal.  

Colliders zijn zeer belangrijke onderzoeksinstrumenten in de deeltjesfysica. Dit zijn cirkelvormige of lineaire machines die deeltjes versnellen tot zeer hoge snelheden, dicht bij de lichtsnelheid, en ze in staat stellen om te botsen met een ander deeltje dat uit de tegenovergestelde richting komt of tegen een doelwit. De botsingen genereren extreem hoge temperaturen in de orde van triljoenen Kelvin (vergelijkbaar met omstandigheden die aanwezig waren in de vroegste tijdperken van het radiataiontijdperk). De energieën van botsende deeltjes worden opgeteld, dus de botsingsenergie is hoger, wat wordt omgezet in materie in de vorm van massieve deeltjes die bestonden in het zeer vroege heelal volgens de massa-energiesymmetrie. Dergelijke interacties tussen deeltjes met hoge energie in de omstandigheden die bestonden in het zeer vroege heelal geven vensters naar de anderszins ontoegankelijke wereld van die tijd en analyse van de bijproducten van botsingen biedt een manier om de heersende wetten van de fysica te begrijpen.  

Misschien wel het bekendste voorbeeld van colliders is de Large Hadron Collider (LHC) van CERN, namelijk grote colliders waar hadronen (samengestelde deeltjes die alleen uit quarks bestaan, zoals protonen en neutronen) botsen. Het is de grootste en krachtigste collider ter wereld die botsingen genereert met een energie van 13 TeV (tera-elektronvolt), wat de hoogste energie is die een versneller bereikt. Onderzoek naar bijproducten van de botsingen is tot nu toe zeer verrijkend geweest. De ontdekking van het Higgs-boson in 2012 door de ATLAS- en CMS-experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC) is een mijlpaal in de wetenschap.  

De schaal van onderzoek naar deeltjesinteractie wordt bepaald door de energie van de versneller. Voor onderzoek op steeds kleinere schalen zijn versnellers met steeds hogere energieën nodig. Er is dus altijd een zoektocht naar versnellers met hogere energieën dan momenteel beschikbaar voor de volledige verkenning van het standaardmodel van de deeltjesfysica en onderzoek op kleinere schalen. Daarom zijn er momenteel verschillende nieuwe versnellers met hogere energieën in de pijplijn.  

De High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) van CERN, die waarschijnlijk in 2029 operationeel zal zijn, is ontworpen om de prestaties van de LHC te verbeteren door het aantal botsingen te verhogen, zodat bekende mechanismen gedetailleerder bestudeerd kunnen worden. Aan de andere kant is de Future Circular Collider (FCC) het zeer ambitieuze project van CERN voor deeltjesversnellers met hogere prestaties, dat ongeveer 100 km in omtrek zou zijn, 200 meter onder de grond, en een vervolg zou zijn op de Large Hadron Collider (LHC). De bouw ervan start waarschijnlijk in de jaren 2030 en zal in twee fasen worden uitgevoerd: FCC-ee (precisiemetingen) zal medio 2040 operationeel zijn, terwijl FCC-hh (hoge energie) in de jaren 2070 operationeel wordt. FCC moet het bestaan ​​van nieuwe, zwaardere deeltjes onderzoeken, buiten het bereik van de LHC, en het bestaan ​​van lichtere deeltjes die zeer zwak interacteren met deeltjes uit het Standaardmodel.  

Eén groep deeltjes die botsen in een collider zijn dus hadronen zoals protonen en kernen, die samengestelde deeltjes zijn die zijn gemaakt van quarks. Deze zijn zwaar en stellen onderzoekers in staat om hoge energieën te bereiken, zoals in het geval van de LHC. Een andere groep is leptonen zoals elektronen en positronen. Deze deeltjes kunnen ook botsen, zoals in het geval van de Large Electron-Positron Collider (LEPC) en de SuperKEKB-collider. Een groot probleem met de elektron-positron gebaseerde lepton-collider is het grote energieverlies door synchrotronstraling wanneer deeltjes in een cirkelvormige baan worden gedwongen, wat kan worden overwonnen door muonen te gebruiken. Net als elektronen zijn muonen elementaire deeltjes, maar ze zijn 200 keer zwaarder dan elektronen, dus veel minder energieverlies door synchrotronstraling.  

In tegenstelling tot hadroncolliders kan een muoncollider draaien met minder energie, waardoor een 10 TeV muoncollider op gelijke voet staat met een 100 TeV hadroncollider. Daarom kunnen muoncolliders relevanter worden na de High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) voor experimenten met hoge-energiefysica, vis-a-vis FCC-ee, of KLIK (Compacte lineaire versneller) of ILC (International Linear Collider). Gezien de lange tijdlijnen van toekomstige hoogenergetische versnellers, zouden muonversnellers de enige potentiële onderzoekstool in de deeltjesfysica kunnen zijn voor de komende drie decennia. Muonen kunnen nuttig zijn voor ultraprecieze meting van anomale magnetische momenten (g-2) en elektrische dipoolmomenten (EDM) voor verkenning voorbij het standaardmodel. De muontechnologie heeft ook toepassingen in verschillende interdisciplinaire onderzoeksgebieden.  

Er zijn echter technische uitdagingen bij het realiseren van muoncolliders. In tegenstelling tot hadronen en elektronen die niet vervallen, hebben muonen een korte levensduur van slechts 2.2 microseconden voordat ze vervallen tot een elektron en neutrino's. Maar de levensduur van muonen neemt toe met energie, wat impliceert dat het verval ervan kan worden uitgesteld als het snel wordt versneld. Maar het versnellen van muonen is technisch moeilijk omdat ze niet dezelfde richting of snelheid hebben.  

Onlangs zijn onderzoekers van het Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) erin geslaagd om de uitdagingen van muontechnologie te overwinnen. Ze slaagden erin om voor het eerst ter wereld een positief muon te versnellen tot ongeveer 4% van de lichtsnelheid. Dit was de eerste demonstratie van koeling en versnelling van positief muon na jaren van continue ontwikkeling van koelings- en versnellingstechnologieën.  

De protonversneller bij J-PARC produceert ongeveer 100 miljoen muonen per seconde. Dit gebeurt door protonen te versnellen tot bijna de lichtsnelheid en ze grafiet te laten raken om pionen te vormen. Muonen worden gevormd als vervalproduct van pionen.  

Het onderzoeksteam produceerde positieve muonen met een snelheid van ongeveer 30% van de lichtsnelheid en schoot ze in silica-aerogel. Hierdoor konden muonen zich combineren met elektronen in de silica-aerogel, wat resulteerde in de vorming van muonium (een neutraal, atoomachtig deeltje of pseudo-atoom bestaande uit een positief muon in het midden en een elektron rond het positieve muon). Vervolgens werden elektronen van muonium verwijderd door bestraling met een laser, wat positieve muonen opleverde die waren afgekoeld tot ongeveer 0.002% van de lichtsnelheid. Daarna werden de afgekoelde positieve muonen versneld met behulp van een radiofrequent elektrisch veld. De versnelde positieve muonen die zo ontstonden, waren directioneel omdat ze begonnen bij bijna nul en een zeer directionele muonbundel werden, terwijl ze geleidelijk werden versneld tot ongeveer 4% van de lichtsnelheid. Dit is een mijlpaal in de muonversnellingstechnologie.  

Het onderzoeksteam is van plan om positieve muonen uiteindelijk te versnellen tot 94% van de lichtsnelheid. 

*** 

Referenties:  

1. University of Oregon. The Early Universe – Toward the Beginning of Tim. Beschikbaar op https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Accelerating science – Muon collider. Beschikbaar op https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Persbericht – 's Werelds eerste afkoeling en versnelling van muon. Geplaatst op 23 mei 2024. Beschikbaar op https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Versnelling van positieve muonen door een radiofrequentieholte. Preprint op arXiv. Ingediend op 15 oktober 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Gerelateerde artikelen  

Fundamentele deeltjes Een snelle blik. Kwantumverstrengeling tussen “topquarks” bij de hoogste waargenomen energieën  (22 september 2024).  

***