Partikula talkatzaileak "Oso unibertso goiztiarra" aztertzeko: muoien talkatzailea frogatu da

Partikula azeleragailuak oso goiz unibertsoa ikertzeko ikerketa-tresna gisa erabiltzen dira. Hadronen talkagailuak (bereziki CERN-en Large Hadron Collider LHC) eta elektroi-positroi talkatzaileak abangoardian daude unibertso oso goiztiarraren esplorazioan. Hadron Talkatzaile Handiaren (LHC) ATLAS eta CMS esperimentuek arrakasta izan zuten Higgs bosoia aurkitzea 2012an. Muoien talkagailuak balio handia izan lezake ikerketa horietan, baina oraindik ez da errealitatea. Ikertzaileek orain lortu dute muoi positibo bat argiaren abiaduraren %4ra gutxi gorabehera bizkortzea. Hau da muoien munduko lehen hozte eta azelerazioa. Kontzeptu-froga gisa, honek etorkizun hurbilean lehen muoien azeleragailua gauzatzeko bidea zabaltzen du.  

James Webb Space Telescope (JWST) unibertso goiztiarra aztertzen ari da. Unibertso goiztiarra ikertzera esklusiboki dedikatua, JWST-k Big Bang-aren ondoren Unibertsoan sortutako hasierako izar eta galaxietatik seinale optiko/infragorriak jasotzen ditu. Duela gutxi, JWST-k arrakastaz aurkitu zuen JADES-GS-z14-0 galaxia urrunena Big Bang-a gertatu eta 290 milioi urte inguru lehenago unibertsoan eratutakoa.  

Unibertsoaren hiru fase daude: erradiazio aroa, materiaren aroa eta egungo energia iluneko aroa. Big Bang-etik 50,000 urte ingurura arte, unibertsoan erradiazioa izan zen nagusi. Honen ostean materia aroa etorri zen. Big Bang-aren ondorengo 200 milioi urte ingurutik Big Bang-aren ondorengo 3 milioi urtera arte iraun zuen materiaren aro galaktikoa galaxiak bezalako egitura handien eraketa izan zen. Garai hau JWST-k ikertzen duen "unibertso goiztiarra" deitzen zaio.  

"Oso goiztiar unibertsoa" Big Bang-aren ondorengo unibertsoaren lehen faseari erreferentzia egiten dio, oso beroa zegoen eta erradiazioa erabat nagusi zenean. Plank aroa Big Bang-etik 10era arte iraun zuen erradiazio-aroaren lehen aroa da.^-43 s. 10eko tenperaturarekin³² K, unibertsoa oso bero zegoen garai honetan. Planck aroari Quark, Lepton eta Nuklear aroak jarraitu zioten; guztiak iraupen laburrekoak izan ziren, baina tenperatura oso altuak izan zituzten ezaugarriak, unibertsoa hedatu ahala pixkanaka murrizten joan zirenak.  

Unibertsoaren hasierako fase honen azterketa zuzena ezinezkoa da. Egin daitekeena da Big Bangaren ondorengo unibertsoaren lehen hiru minutuetako baldintzak partikula azeleragailuetan birsortzea. Azeleragailu/talkagailuetan partikulen talkek sortutako datuek zeharkako leiho bat eskaintzen dute oso goiz unibertsorako.  

Talkatzaileak ikerketa-tresna oso garrantzitsuak dira partikulen fisikan. Makina zirkularrak edo linealak dira, partikulak argiaren abiaduratik hurbil dauden abiadura oso handietara bizkortzen dituztenak eta kontrako noranzkotik datorren beste partikula baten kontra edo helburu baten aurka talka egiteko aukera ematen dutenak. Talkek tenperatura oso altuak sortzen dituzte bilioi Kelvin-en ordenan (erradiazioaren garaiko lehen aroetan zeuden baldintzen antzekoa). Talka egiten duten partikulen energiak gehitzen dira, beraz, talka energia handiagoa da eta materia bihurtzen da oso goiz unibertsoan zeuden partikula masiboen forman masa-energia simetriaren arabera. Unibertso goiztiarrean zeuden baldintzetan energia handiko partikulen arteko elkarreragin horiek garai hartako bestela iristezina den munduari leihoak ematen dizkiote eta talken azpiproduktuen analisiak fisikaren lege arautzaileak ulertzeko modua eskaintzen du.  

Agian, talkatzaileen adibiderik ezagunena CERNeko Hadronen Talkatzaile Handia (LHC) da, hau da, tamaina handiko talkagailuak non hadroiak (quarkez osatutako partikula konposatuak, hala nola protoiak eta neutroiak soilik) talka egiten duten. 13 TeV-ko (teraelektronvoltioa) energiarekin talkak sortzen dituen munduko talkarik handiena eta indartsuena da, hau da, azeleragailu batek lortzen duen energiarik handiena. Talken azpiproduktuen azterketa oso aberasgarria izan da orain arte. 2012an Higgs bosoiaren aurkikuntza ATLAS eta CMS esperimentuek Hadron Talkatzaile Handian (LHC) mugarri bat da zientzian.  

Partikulen elkarrekintzaren azterketa eskala azeleragailuaren energiak zehazten du. Gero eta eskala txikiagoan esploratzeko, gero eta energia handiagoa duten azeleragailuak behar dira. Beraz, beti dago gaur egun eskuragarri dauden baino energia handiagoko azeleragailuen bila, partikulen fisikaren eredu estandarraren esplorazio osoa eta eskala txikiagoetan ikertzeko. Hori dela eta, energia handiko azeleragailu berri batzuk martxan daude gaur egun.  

CERNeko Argitasun handiko Hadron Talkagailu Handia (HL – LHC), ziurrenik 2029rako martxan egongo dena, LHCren errendimendua areagotzeko diseinatuta dago, talka kopurua handituz, ezagutzen diren mekanismoak xehetasun handiagoz aztertzeko. Bestalde, Future Circular Collider (FCC) CERN-en errendimendu handiagoko partikula talkatzaileen proiektu asmo handikoa da, lur azpian 100 metrora 200 km inguruko zirkunferentzia izango lukeena eta Hadron Talkatzaile Handiaren (LHC) jarraipena izango lukeena. Bere eraikuntza 2030eko hamarkadan hasiko da eta bi fasetan ezarriko litzateke: FCC-ee (zehaztasun-neurketak) 2040ko hamarkadaren erdialderako martxan egongo da eta FCC-hh (energia handikoa) 2070eko hamarkadan hasiko da lanean. FCCk partikula astun berrien existentzia aztertu beharko luke, LHCaren irismenetik kanpo eta Eredu Estandarreko partikularekin oso ahulean elkarreragina duten partikula arinenen existentzia.  

Horrela, talkatzaile batean talka egiten duten partikula talde bat hadroiak dira, hala nola protoiak eta nukleoak, quarkez osatutako partikula konposatuak dira. Hauek astunak dira eta ikertzaileei LHCren kasuan bezala energia handietara iristeko aukera ematen diete. Beste talde bat leptoiena da, hala nola elektroiak eta positroiak. Partikula hauek ere talka egin dezakete Elektroi-Positroi Talkatzaile Handiaren (LEPC) eta SuperKEKB talkatzailearen kasuan bezala. Elektroi-positroi oinarritutako lepton talkagailuaren arazo nagusietako bat sinkrotroi erradiazioari esker, partikulak orbita zirkularrean behartuta daudenean, muoiak erabiliz gaindi daitezkeen, energia galera handia da. Elektroiak bezala, muoiak oinarrizko partikulak dira, baina elektroiak baino 200 aldiz astunagoak dira, beraz, askoz energia-galera txikiagoa da sinkrotroi erradiazioaren ondorioz.  

Hadroien talkagailuak ez bezala, muoien talkagailu batek energia gutxiago erabiliz exekutatu dezake eta horrek 10 TeV-ko muoi-talkatzaile bat egiten du 100 TeV-ko hadroien talkagailu baten parean. Beraz, muoien talkagailuak garrantzitsuagoak izan daitezke High Luminosity Large Hadron Collider (HL - LHC) osteko energia altuko fisikako esperimentuetarako, FCC-ee-ren aurrean, edo KLIK (Compact Lineal Collider) edo ILC (Nazioarteko talkatzaile lineala). Etorkizuneko energia handiko talkagailuen denbora-lerro luzeak kontuan hartuta, muoien talkagailuak hurrengo hiru hamarkadetan partikulen fisikako ikerketa-tresna potentzial bakarra izan liteke. Muoiak momentu magnetiko anomaloaren (g-2) eta momentu dipolo elektrikoaren (EDM) neurtzeko oso zehatzak izan daitezke eredu estandartik haratago esploratzeko. Muoien teknologiak aplikazioak ditu diziplinarteko hainbat ikerketa-eremutan ere.  

Hala ere, erronka teknikoak daude muoien talkatzaileak gauzatzeko. Desintegratzen ez diren hadroi eta elektroiek ez bezala, muoiek 2.2 mikrosegundoko bizitza laburra dute elektroi eta neutrino bihurtu baino lehen. Baina muoien bizitza-denbora handitzen da energiarekin, bere desintegrazioa atzeratu daiteke azkar azeleratzen bada. Baina muoiak bizkortzea teknikoki zaila da, ez baitute norabide edo abiadura bera.  

Duela gutxi, Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ikertzaileek muoien teknologiaren erronkak gainditzea lortu dute. Muoi positibo bat argiaren abiaduraren %4ra gutxi gorabehera bizkortzea lortu zuten munduan lehen aldiz. Hau muoi positiboaren hozte eta azelerazioko lehen froga izan zen, hozte eta azelerazio teknologien etengabeko garapenaren ondoren.  

J-PARC-eko protoi azeleragailuak segundoko 100 milioi muoi ekoizten ditu gutxi gorabehera. Hau protoiak argiaren abiaduraren hurbilera bizkortuz eta grafitoa jotzen uzten du pioiak sortzeko. Muoiak pioien desintegrazio-produktu gisa sortzen dira.  

Ikerketa-taldeak argiaren abiaduraren %30 inguruko abiadura duten muoi positiboak ekoitzi zituen eta silize-aerogeletara jaurti zituzten. Baimendutako muoiak silizezko aerogeleko elektroiekin konbinatzen dira, eta ondorioz muoioa eratzen da (zentroan muoi positibo batek eta muoi positiboaren inguruan dagoen elektroi batek osatutako partikula neutroa, atomo antzekoa edo sasi atomoa). Ondoren, elektroiak muoiotik kendu ziren laser bidez irradiazio bidez, argiaren abiaduraren % 0.002 inguruan hoztutako muoi positiboak emanez. Horren ostean, hoztutako muoi positiboak azeleratu ziren irrati-maiztasuneko eremu elektrikoa erabiliz. Horrela sortutako muoi positibo azeleratuak norabideak ziren, zerotik gertu hasten zirelako muoi-sorta oso direkzional bihurtuz, pixkanaka argiaren abiaduraren % 4ra iritsi arte. Hau muoien azelerazio teknologiaren mugarri bat da.  

Ikerketa-taldeak azkenean muoi positiboak argiaren abiaduraren % 94ra bizkortzeko asmoa du. 

*** 

References:  

1. Oregoneko Unibertsitatea. Hasierako unibertsoa - Tim-en hasierara. Hemen eskuragarri https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Zientzia bizkortzea - ​​Muon talkatzailea. Hemen eskuragarri https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARK. Prentsa-oharra - Muoien munduko lehen hozte eta azelerazioa. 23ko maiatzaren 2024an argitaratua. Hemen eskuragarri https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Irrati-maiztasun barrunbe baten bidez muoien positiboen azelerazioa. Aurreinprimaketa arXiv-en. 15ko urriaren 2024ean bidalia. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Gaiarekin lotutako artikuluak  

Oinarrizko partikulak Begirada azkarra. "Top Quark"-en arteko korapilatze kuantikoa behatutako energia gorenetan  (22 irailaren 2024).  

***