Ko nga matūriki colliders mo te ako mo te "Te ao moata rawa": Muon collider i whakaatu

Ko nga kaiwhakatere matūriki ka whakamahia hei taputapu rangahau mo te ako mo te ao moata rawa. Ko nga kaiwhaiwhai Hadron (ina koa ko te Large Hadron Collider LHC a CERN) me nga kaitapa hiko-positron kei mua ki te torotoro i te ao moata rawa atu. I angitu nga whakamatautau ATLAS me CMS i te Large Hadron Collider (LHC) ki te kite i te higgs boson i te tau 2012. Ka taea te whakamahi nui a Muon collider i roto i enei rangahau engari kaore ano i te mooni. Kua angitu nga kairangahau ki te whakatere i te muon pai ki te 4% o te tere o te marama. Koinei te whakamatao tuatahi me te whakaterenga o te muon. Hei whakaaturanga tohu-a-arii, ma tenei e para te huarahi mo te whakatinanatanga o te whakatere muon tuatahi i nga wa e heke mai nei.  

I tenei wa kei te akohia e te James Webb Space Telescope (JWST). I whakatapua anake ki te ako o te ao tomua, ka mahia e JWST ma te kohi tohu whatu/pokarere mai i nga whetu me nga tupuni i hanga i te Ao i muri i te Big Bang. Ina tata nei, i kitea angitu e JWST te tupuni tawhiti rawa atu a JADES-GS-z14-0 i hanga i te ao o mua tata ki te 290 miriona tau i muri mai i te Big Bang.  

E toru nga wahanga o te ao - te wa iraruke, te wa matū me te wa pouri pouri. Mai i te Big Bang ki te tata ki te 50,000 tau, ko te ao nui te kaha o te hihi. I muri mai ko te waa take. Ko te wa tupuni o te wa o te mea i roa mai i te 200 miriona tau i muri mai i te Big Bang ki te 3 piriona tau i muri mai i te Big Bang ko te ahuatanga o te hanganga o nga hanganga nui penei i nga tupuni. Ko tenei wa e kiia ana ko "te ao o mua" e akohia ana e JWST.  

"Te ao moata rawa" e pa ana ki te wahanga tuatahi o te ao i muri tata mai i te Big Bang i te wa e tino wera ana, e kaha ana te iraruke. Ko te wa Plank te wa tuatahi o te wa iraruke i roa mai i te Big Bang ki te 10^-43 s. Me te pāmahana o te 10³² K, i tino wera te ao i tenei wa. Ko te wa o Planck i whai mai ko te Quark, Lepton, me te Nuclear epochs; he wa poto katoa engari he tino nui te pāmahana ka heke haere i te wa e toro haere ana te ao.  

Kare e taea te ako tika mo tenei wahanga tuatahi o te ao. Ka taea te mahi ko te hanga ano i nga tikanga o nga meneti tuatahi e toru o te ao i muri i te Patu Nui i roto i nga kaiwhakatere matūriki. Ko nga raraunga i puta mai i nga tukinga o nga matūriki i roto i nga kaiwhakatere/tupatupatu he matapihi autaki ki te ao moata rawa atu.  

Ko nga Colliders he taputapu rangahau tino nui i roto i te ahupūngao matūriki. He mihini porowhita, ahorangi ranei e whakatere ana i nga matūriki ki nga tere tino teitei tata ki te tere o te marama ka tuku kia tutuki atu ki tetahi atu matūriki e ahu mai ana i te huarahi rereke, ki tetahi whaainga ranei. Ko nga tukinga ka whakaputa i te pāmahana tino teitei i roto i te raupapa o te trillions o Kelvin (he rite ki nga ahuatanga kei roto i nga wa o mua o te wa o te raradiataion). Ko te kaha o nga matūriki tukinga ka taapirihia no reira ka nui ake te kaha tukinga ka huri hei matūriki i roto i te ahua o te matūriki nui i te ao tuatahi e rite ana ki te hangarite papatipu-kaha. Ko enei taunekeneke i waenga i nga matūriki hiko nui i roto i nga ahuatanga o te ao o mua rawa atu ka hoatu he matapihi ki te ao kore e taea te uru atu i tera wa me te tātaritanga o nga hua o te tukinga he huarahi ki te mohio ki nga ture whakahaere o te ahupūngao.  

Akene, ko te tauira tino rongonui o nga kaipahua ko te CERN's Large Hadron Collider (LHC) ara, ko nga kohinga rahinga nui e tukituki ai nga hadrons (nga matūriki hiato i hanga mai i te quark anake penei i te protons me te neutrons). Ko te tukinga nui rawa atu me te kaha rawa atu o te ao e whakaputa tukinga ana i te kaha o te 13 TeV (teraelectronvolts) ko te kaha teitei rawa atu ka tae mai e te kaiwhakatere. Ko te rangahau o nga hua o nga tukinga kua tino whakarangatira i tenei wa. Ko te kitenga o Higgs boson i te tau 2012 e nga whakamatautau ATLAS me CMS i te Large Hadron Collider (LHC) he tohu nui mo te putaiao.  

Ko te tauine o te ako o te taunekeneke matūriki ka whakatauhia e te kaha o te whakatere. Mo te torotoro i nga unahi iti me te iti ake, me hiahia nga kaiwhakatere o te kaha teitei me te teitei ake. Na, he rapu tonu mo nga kaiwhakatere hiko teitei ake i nga wa e waatea ana mo te tirotiro katoa i te tauira paerewa o te ahupūngao matūriki me te tirotiro i nga pauna iti. Na reira, he maha nga kaiwhakatere hiko teitei hou kei te paipa.  

Ko te High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) a CERN, tera pea ka mahi hei te tau 2029, i hangaia hei whakanui ake i nga mahi o te LHC ma te whakanui ake i te maha o nga tukinga kia pai ai te ako o nga tikanga mohio i roto i nga taipitopito. I tetahi atu taha, ko Future Circular Collider (FCC) te kaupapa whakahiato matūriki teitei ake o te CERN e tata ana ki te 100 kiromita te porowhita 200 mita i raro i te whenua ka whai mai i te Large Hadron Collider (LHC). Ko te tikanga ka timata tana hanga i nga tau 2030, ka whakatinanahia i roto i nga waahanga e rua: FCC-ee (inenga tika) ka mahi i waenganui o 2040s i te wa ka timata a FCC-hh (kaha teitei) ki te mahi i te 2070s. Me torotoro a FCC i te noho o nga matūriki hou, taumaha ake, i tua atu i te taea o te LHC me te noho o nga matūriki mama e mahi ngoikore ana me nga matūriki Tauira Paerewa.  

No reira, ko tetahi roopu matūriki e tukituki ana i roto i te collider he hadrons penei i te protons me te karihi he matūriki hiato i hangaia mai i te quark. He taumaha enei, ka taea e nga kairangahau te eke ki nga kaha teitei penei i te keehi o te LHC. Ko etahi atu roopu ko nga lepton penei i nga irahiko me nga positrons. Ka taea ano e enei matūriki te tukinga pera i te keehi o te Kaipupuri Irahiko-Positron Nui (LEPC) me te SuperKEKB collider. Ko tetahi take nui mo te hikoi hiko-positron-a-ringa he nui te ngaronga o te hiko na te iraruke synchrotron i te wa e pehia ana nga matūriki ki roto i te omi porohita ka taea te hinga ma te whakamahi muon. Pērā i te irahiko, he matūriki timatanga te muon engari he 200 nga wa te taumaha ake i nga irahiko no reira ka iti ake te ngaronga o te kaha na te iraruke synchrotron.  

Kaore i rite ki nga kaiwhaiwhai hadron, ka taea e te kaipahua muon te oma ma te iti ake o te kaha e hanga ana i te 10 TeV muon collider i te par me te 100 TeV hadron collider. No reira, ka kaha ake pea nga kaitapa muon i muri i te Whakanuia Te Maama Nui o te Hadron Collider (HL – LHC) mo nga whakamatautau ahupūngao kaha nui ki te taha o te FCC-ee, CLIC (Compact Linear Collider) ranei ILC (International Linear Collider). I runga i nga wa roa o te kaha nui o nga kaiwhaiwhai a meake nei, ko nga muon colliders he taputapu rangahau pea mo te ahupūngao matūriki mo nga tau e toru e whai ake nei. Ka whai hua nga muon mo te inenga tino tika o te momeniti autō kehe (g-2) me te momeniti dipole hiko (EDM) ki te torotoro i tua atu o te tauira paerewa. He tono ano te hangarau muon ki te maha o nga waahi rangahau mo nga kaupapa ako.  

Heoi ano, he wero hangarau i roto i te whakatinanatanga o te muon colliders. Kaore i rite ki nga hadrons me nga irahiko e kore e pirau, he poto te roa o te muon he 2.2 microseconds i mua i te pirau ki roto i te irahiko me te neutrino. Engari ka piki ake te oranga o muon me te kaha e kii ana ka taea te whakaroa ki te tere tere. Engari he uaua te whakatere i nga muon na te mea kaore i te rite te ahunga me te tere.  

Ina tata nei, kua angitu nga kairangahau o Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ki te wikitoria i nga wero hangarau muon. I angitu ratou ki te whakatere i te muon pai ki te 4% o te tere o te marama mo te wa tuatahi ki te ao. Koinei te whakaaturanga tuatahi o te whakamatao me te whakaterenga o te muon pai i muri i nga tau o te whanaketanga tonu o nga hangarau whakamatao me te whakatere.  

Ko te kaiwhakatere iraoho i J-PARC ka whakaputa tata ki te 100 miriona muon mo ia hekona. Ka mahia tenei ma te whakatere i nga iraoho kia tata ki te tere o te marama me te tuku kia pa ki te kauwhata hei hanga pion. Ka hangaia nga muon hei hua pirau o nga pion.  

I whakaputahia e te roopu rangahau nga muon pai he 30% te tere o te marama, ka pana ki roto ki te aerogel silica. Ko nga muon e whakaaetia ana ki te whakakotahi me nga irahiko i roto i te silica airgel ka puta he muonium (he matūriki kore, he rite ngota, he ngota pseudo ranei kei roto he muon pai kei te pokapū me tetahi irahiko huri noa i te muon pai). I muri mai, ka tangohia nga irahiko mai i te muonium na roto i te irradiation e te laser i hoatu nga muon pai i whakamatao ki te 0.002% o te tere o te marama. Whai muri i tera, ka whakaterehia nga muon pai kua whakamatao ma te whakamahi i te papa hiko reo irirangi. Ko nga muona pai tere i hanga he aronga na te mea i timata mai i te tata ki te kore ka huri hei kurupae muon tino aronga i te mea i tere tere tae atu ki te 4% o te tere o te marama. He tohu nui tenei mo te hangarau whakatere muon.  

Kei te whakamahere te roopu rangahau kia tere ake nga muon pai ki te 94% o te tere o te marama. 

*** 

Tohutoro:  

1. Te Whare Wananga o Oregon. Te Ao Moata – Ki te timatanga o Tim. Kei te waatea i https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Pūtaiao whakatere – Muon collider. Kei te waatea i https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Te tuku panui – Te whakamatao tuatahi me te whakaterenga o te muon o te ao. I whakairihia i te 23 o Haratua 2024. Kei te waatea i https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. Te whakaterenga o nga muon pai e te kohanga reo irirangi. Tuhinga o mua i arXiv. I tukuna i te 15 o Oketopa 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

Ngā tuhinga e hāngai ana  

Matūriki taketake He tirohanga tere. Ko te Whakawhanaungatanga i waenga i nga "Top Quarks" i nga Puawai Tino Ka kitea  (22 Mahuru 2024).  

***