"மிக ஆரம்பகால பிரபஞ்சம்" பற்றிய ஆய்வுக்கான துகள் மோதல்கள்: மியூன் மோதல் நிரூபித்தது

துகள் முடுக்கிகள் மிகவும் ஆரம்பகால பிரபஞ்சத்தை ஆய்வு செய்வதற்கான ஆராய்ச்சி கருவிகளாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. ஹாட்ரான் மோதல்கள் (குறிப்பாக CERN's Large Hadron Collider LHC) மற்றும் எலக்ட்ரான்-பாசிட்ரான் மோதல்கள் மிகவும் ஆரம்பகால பிரபஞ்சத்தை ஆராய்வதில் முன்னணியில் உள்ளன. லார்ஜ் ஹாட்ரான் மோதல் (எல்.எச்.சி) இல் உள்ள அட்லஸ் மற்றும் சிஎம்எஸ் சோதனைகள் 2012 இல் ஹிக்ஸ் போசனைக் கண்டுபிடிப்பதில் வெற்றிகரமாக இருந்தன. இதுபோன்ற ஆய்வுகளில் மியூன் கொலிடர் கணிசமான பயன்பாடாக இருக்கக்கூடும், இருப்பினும் இது இன்னும் ஒரு உண்மை அல்ல. ஆராய்ச்சியாளர்கள் இப்போது ஒரு நேர்மறையான மியூனை ஒளியின் வேகத்தில் சுமார் 4% ஆக விரைவுபடுத்துவதில் வெற்றி பெற்றுள்ளனர். இது உலகின் முதல் குளிரூட்டல் மற்றும் மியூனின் முடுக்கம். கருத்துக்கு ஆதாரமாக ஆர்ப்பாட்டமாக, இது எதிர்காலத்தில் முதல் மியூன் முடுக்கி உணர வழிவகுக்கிறது.  

ஆரம்பகால பிரபஞ்சத்தை தற்போது ஜேம்ஸ் வெப் விண்வெளி தொலைநோக்கி (ஜே.டபிள்யூ.எஸ்.டி) ஆய்வு செய்து வருகிறது. ஆரம்பகால பிரபஞ்சத்தின் ஆய்வுக்கு பிரத்தியேகமாக அர்ப்பணிக்கப்பட்ட JWST, பிக் பேங்குக்குப் பிறகு பிரபஞ்சத்தில் உருவான ஆரம்ப நட்சத்திரங்கள் மற்றும் விண்மீன் திரள்களிலிருந்து ஆப்டிகல்/அகச்சிவப்பு சமிக்ஞைகளை எடுப்பதன் மூலம் அவ்வாறு செய்கிறது. சமீபத்தில், பிக் பேங்கிற்கு 14 மில்லியன் ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு ஆரம்ப பிரபஞ்சத்தில் உருவாக்கப்பட்ட மிக தொலைதூர கேலக்ஸி ஜேட்ஸ்-ஜிஎஸ்-இசட் 0-290 ஐ ஜே.டபிள்யூ.எஸ்.டி வெற்றிகரமாக கண்டுபிடித்தது.  

பிரபஞ்சத்தின் மூன்று கட்டங்கள் உள்ளன - கதிர்வீச்சு சகாப்தம், பொருள் சகாப்தம் மற்றும் தற்போதைய இருண்ட ஆற்றல் சகாப்தம். பெருவெடிப்பிலிருந்து சுமார் 50,000 ஆண்டுகள் வரை, பிரபஞ்சம் கதிர்வீச்சால் ஆதிக்கம் செலுத்தியது. இதைத் தொடர்ந்து விஷயம் சகாப்தம் ஏற்பட்டது. பிக் பேங்கிற்குப் பிறகு சுமார் 200 மில்லியன் ஆண்டுகள் முதல் பிக் பேங்கிற்குப் பிறகு சுமார் 3 பில்லியன் ஆண்டுகள் வரை நீடித்த பொருள் யுகத்தின் விண்மீன் சகாப்தம் விண்மீன் திரள்கள் போன்ற பெரிய கட்டமைப்புகளை உருவாக்குவதன் மூலம் வகைப்படுத்தப்பட்டது. இந்த சகாப்தம் பொதுவாக JWST படிக்கும் "ஆரம்ப பிரபஞ்சம்" என்று குறிப்பிடப்படுகிறது.  

"மிக ஆரம்ப பிரபஞ்சம்" என்பது பிரபஞ்சத்தின் ஆரம்ப கட்டத்தைக் குறிக்கிறது, இது மிகவும் சூடாகவும், கதிர்வீச்சினால் முழுமையாக ஆதிக்கம் செலுத்தியதாகவும் பிக் பேங் முடிந்ததும். பிளாங்க் சகாப்தம் கதிர்வீச்சு சகாப்தத்தின் முதல் சகாப்தமாகும், இது பிக் பேங்கிலிருந்து 10 வரை நீடித்தது^-43 கள். 10 வெப்பநிலையுடன்³² கே, இந்த சகாப்தத்தில் பிரபஞ்சம் சூப்பர்-சூடானதாக இருந்தது. பிளாங்க் சகாப்தத்தைத் தொடர்ந்து குவார்க், லெப்டன் மற்றும் அணு சகாப்தங்கள்; அனைத்தும் குறுகிய காலமாக இருந்தன, ஆனால் மிக உயர்ந்த வெப்பநிலையால் வகைப்படுத்தப்பட்டன, அவை பிரபஞ்சம் விரிவடைந்ததால் படிப்படியாகக் குறைக்கப்பட்டன.  

பிரபஞ்சத்தின் இந்த ஆரம்ப கட்டத்தின் நேரடி ஆய்வு சாத்தியமில்லை. துகள் முடுக்கிகளில் பிக் பேங்கிற்குப் பிறகு பிரபஞ்சத்தின் முதல் மூன்று நிமிடங்களின் நிலைமைகளை மீண்டும் உருவாக்குவதே என்ன செய்ய முடியும். முடுக்கிகள்/கோலிடர்களில் துகள்களின் மோதல்களால் உருவாக்கப்படும் தரவு மிக ஆரம்ப பிரபஞ்சத்திற்கு ஒரு மறைமுக சாளரத்தை வழங்குகிறது.  

துகள் இயற்பியலில் கோலிடர்கள் மிக முக்கியமான ஆராய்ச்சி கருவிகள். இவை வட்ட அல்லது நேரியல் இயந்திரங்கள், அவை துகள்களை ஒளியின் வேகத்திற்கு மிக அதிக வேகத்திற்கு துரிதப்படுத்துகின்றன, மேலும் அவை எதிர் திசையிலிருந்து அல்லது இலக்குக்கு எதிராக வரும் மற்றொரு துகள்களுக்கு எதிராக மோத அனுமதிக்கின்றன. மோதல்கள் டிரில்லியன் கணக்கான கெல்வின் வரிசையில் மிக அதிக வெப்பநிலையை உருவாக்குகின்றன (ரேடியாடியன் சகாப்தத்தின் ஆரம்ப சகாப்தங்களில் இருக்கும் நிலைமைகளைப் போன்றது). மோதல் துகள்களின் ஆற்றல்கள் சேர்க்கப்படுகின்றன, எனவே மோதல் ஆற்றல் அதிகமாக உள்ளது, இது வெகுஜன ஆற்றல் சமச்சீரின் படி மிக ஆரம்ப பிரபஞ்சத்தில் இருந்த பாரிய துகள்களின் வடிவத்தில் பொருளாக மாற்றப்படுகிறது. ஆரம்பகால பிரபஞ்சத்தில் இருந்த நிலைமைகளில் உயர் ஆற்றல் துகள்களுக்கு இடையிலான இத்தகைய தொடர்புகள் அந்த நேரத்தின் அணுக முடியாத உலகத்திற்கு விண்டோஸைக் கொடுக்கும் மற்றும் மோதல்களின் துணை தயாரிப்புகளின் பகுப்பாய்வு இயற்பியலின் ஆளும் சட்டங்களைப் புரிந்துகொள்வதற்கான வழியை வழங்குகிறது.  

ஒருவேளை, கோலிடர்களின் மிகவும் பிரபலமான எடுத்துக்காட்டு, செர்னின் பெரிய ஹாட்ரான் கொலிடர் (எல்.எச்.சி) அதாவது, பெரிய அளவிலான கோலிடர்கள், அங்கு ஹட்ரான்கள் (புரோட்டான்கள் மற்றும் நியூட்ரான்கள் போன்ற குவார்க்குகளால் ஆன கலப்பு துகள்கள்) மோதுகின்றன. இது உலகின் மிகப்பெரிய மற்றும் மிக சக்திவாய்ந்த மோதலாகும், இது 13 TEV (TERELECTRONVOLTS) ஆற்றலில் மோதல்களை உருவாக்குகிறது, இது ஒரு முடுக்கியால் எட்டப்பட்ட மிக உயர்ந்த ஆற்றலாகும். மோதல்களின் துணை தயாரிப்புகளின் ஆய்வு இதுவரை மிகவும் வளமானதாக உள்ளது. 2012 ஆம் ஆண்டில் அட்லஸ் மற்றும் சிஎம்எஸ் சோதனைகள் பெரிய ஹாட்ரான் மோதல் (எல்.எச்.சி) இல் ஹிக்ஸ் போசனின் கண்டுபிடிப்பு அறிவியலில் ஒரு மைல்கல்.  

துகள் தொடர்புகளின் ஆய்வின் அளவு முடுக்கியின் ஆற்றலால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது. சிறிய மற்றும் சிறிய அளவீடுகளில் ஆராய, ஒருவருக்கு அதிக மற்றும் அதிக ஆற்றலின் முடுக்கிகள் தேவைப்படுகின்றன. எனவே, துகள் இயற்பியலின் நிலையான மாதிரியின் முழு ஆய்வுக்கு தற்போது கிடைப்பதை விட அதிக ஆற்றல் முடுக்கிகளுக்கான தேடலும் சிறிய அளவீடுகளில் விசாரணையும் உள்ளது. எனவே, பல புதிய உயர் ஆற்றல் முடுக்கிகள் தற்போது குழாய்வழியில் உள்ளன.  

2029 ஆம் ஆண்டளவில் செயல்படக்கூடிய CERN இன் உயர்-ஒளிரும் பெரிய ஹாட்ரான் மோதல் (HL-LHC), அறியப்பட்ட வழிமுறைகளைப் படிப்பதை விரிவாக ஆய்வுகளை அனுமதிக்கும் வகையில் மோதல்களின் எண்ணிக்கையை அதிகரிப்பதன் மூலம் எல்.எச்.சியின் செயல்திறனை அதிகரிக்க வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது. மறுபுறம், எதிர்கால சுற்றறிக்கை மோதல் (எஃப்.சி.சி) என்பது CERN இன் மிகவும் லட்சியமான உயர் செயல்திறன் துகள் கோலிடர்ஸ் திட்டமாகும், இது தரையில் இருந்து 100 மீட்டர் கீழே 200 கி.மீ தூரத்தில் இருக்கும், மேலும் இது பெரிய ஹாட்ரான் கொலிடர் (எல்.எச்.சி) இலிருந்து பின்பற்றப்படும். அதன் கட்டுமானம் 2030 களில் தொடங்கும் மற்றும் இரண்டு நிலைகளில் செயல்படுத்தப்படும்: FCC-EE (துல்லிய அளவீடுகள்) 2040 களின் நடுப்பகுதியில் செயல்படும், அதே நேரத்தில் FCC-HH (உயர் ஆற்றல்) 2070 களில் செயல்பாட்டைத் தொடங்குகிறது. எல்.எச்.சியின் எட்டலுக்கு அப்பால், புதிய, கனமான துகள்கள் இருப்பதையும், நிலையான மாதிரி துகள்களுடன் மிகவும் பலவீனமாக தொடர்பு கொள்ளும் இலகுவான துகள்களின் இருப்பையும் எஃப்.சி.சி ஆராய வேண்டும்.  

ஆகவே, ஒரு மோதலில் மோதுகின்ற துகள்களின் ஒரு குழு புரோட்டான்கள் மற்றும் கருக்கள் போன்ற ஹட்ரான்கள் ஆகும், அவை குவார்க்குகளால் செய்யப்பட்ட கலப்பு துகள்கள். இவை கனமானவை மற்றும் எல்.எச்.சியைப் போலவே ஆராய்ச்சியாளர்கள் அதிக ஆற்றல்களை அடைய அனுமதிக்கின்றன. மற்ற குழு எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் பாசிட்ரான்கள் போன்ற லெப்டான்கள். பெரிய எலக்ட்ரான்-பாசிட்ரான் மோதல் (LEPC) மற்றும் சூப்பர் கிக்பி மோதல் ஆகியவற்றைப் போலவே இந்த துகள்கள் மோதுகின்றன. எலக்ட்ரான்-பாசிட்ரான் அடிப்படையிலான லெப்டன் மோதலுடன் ஒரு முக்கிய பிரச்சினை ஒத்திசைவு கதிர்வீச்சின் காரணமாக பெரிய ஆற்றல் இழப்பு ஆகும், இது துகள்கள் வட்ட சுற்றுப்பாதையில் கட்டாயப்படுத்தப்படும்போது, ​​மியூன்களைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் கடக்க முடியும். எலக்ட்ரான்களைப் போலவே, மியூன்களும் தொடக்கத் துகள் ஆனால் எலக்ட்ரான்களை விட 200 மடங்கு கனமானவை, எனவே ஒத்திசைவு கதிர்வீச்சு காரணமாக ஆற்றல் இழப்பு மிகக் குறைவு.  

ஹாட்ரான் கோலிடர்களைப் போலல்லாமல், ஒரு மியூன் மோதல் குறைந்த ஆற்றலைப் பயன்படுத்தி இயங்க முடியும், இது 10 டெவ் மியூன் மோதலை 100 டெவ் ஹாட்ரான் மோதலுடன் இணைக்கிறது. ஆகையால், மியூன் கோலிடர்கள் உயர் எரிசக்தி இயற்பியல் சோதனைகளுக்கான உயர் ஒளிரும் பெரிய ஹாட்ரான் மோதல் (எச்.எல்-எல்.எச்.சி) மிகவும் பொருத்தமானதாக மாறக்கூடும் CLIC (சிறிய நேரியல் மோதல்) அல்லது ஐ.எல்.சி. (சர்வதேச நேரியல் மோதல்). உயர் ஆற்றல் எதிர்கால கோலிடர்களின் நீடித்த காலக்கெடுவுகள் கொடுக்கப்பட்டால், மியூன் கோலிடர்கள் அடுத்த மூன்று தசாப்தங்களுக்கு துகள் இயற்பியலில் சாத்தியமான ஆராய்ச்சி கருவியாக மட்டுமே இருக்க முடியும். நிலையான மாதிரியைத் தாண்டி ஆராய்ச்சியை நோக்கி ஒழுங்கற்ற காந்த தருணம் (ஜி -2) மற்றும் மின்சார இருமுனை தருணம் (ஈடிஎம்) ஆகியவற்றின் தீவிர துல்லியமான அளவீட்டுக்கு மியூன்ஸ் பயனுள்ளதாக இருக்கும். MUON தொழில்நுட்பம் பல இடைநிலை ஆராய்ச்சி பகுதிகளிலும் பயன்பாடுகளைக் கொண்டுள்ளது.  

இருப்பினும், மியூன் கோலிடர்களை உணர்ந்து கொள்வதில் தொழில்நுட்ப சவால்கள் உள்ளன. சிதைவடையாத ஹட்ரான்ஸ் மற்றும் எலக்ட்ரான்களைப் போலல்லாமல், எலக்ட்ரான் மற்றும் நியூட்ரினோக்களில் சிதைவதற்கு முன்பு மியூன்ஸ் 2.2 மைக்ரோ விநாடிகள் மட்டுமே குறுகிய வாழ்நாளைக் கொண்டுள்ளது. ஆனால் முவோனின் வாழ்நாள் அதிகரிக்கும் ஆற்றலுடன் அதன் சிதைவை விரைவாக முடுக்கிவிட்டால் ஒத்திவைக்க முடியும். ஆனால் மியூன்களை துரிதப்படுத்துவது தொழில்நுட்ப ரீதியாக கடினம், ஏனெனில் அவை ஒரே திசையோ வேனையோ இல்லை.  

சமீபத்தில், ஜப்பான் புரோட்டான் முடுக்கி ஆராய்ச்சி வளாகத்தின் (J-PARC) ஆராய்ச்சியாளர்கள் MUON தொழில்நுட்ப சவால்களை வெல்வதில் வெற்றி பெற்றனர். உலகில் முதல் முறையாக ஒரு நேர்மறையான மியூனை ஒளியின் வேகத்தில் சுமார் 4% ஆக விரைவுபடுத்துவதில் அவர்கள் வெற்றி பெற்றனர். இது குளிரூட்டல் மற்றும் முடுக்கம் தொழில்நுட்பங்களின் தொடர்ச்சியான வளர்ச்சியின் பின்னர் நேர்மறை மியூனின் குளிரூட்டல் மற்றும் முடுக்கம் பற்றிய முதல் ஆர்ப்பாட்டமாகும்.  

J-PARC இல் உள்ள புரோட்டான் முடுக்கி வினாடிக்கு சுமார் 100 மில்லியன் மியூன்களை உற்பத்தி செய்கிறது. ஒளியின் வேகத்திற்கு அருகில் புரோட்டான்களை விரைவுபடுத்துவதன் மூலமும், கிராஃபைட்டை பியன்களை உருவாக்க அனுமதிப்பதன் மூலமும் இது செய்யப்படுகிறது. மியூன்கள் பியன்களின் சிதைவு தயாரிப்பாக உருவாகின்றன.  

ஆராய்ச்சிக் குழு நேர்மறையான மியூன்களை சுமார் 30% ஒளியின் வேகத்தில் உருவாக்கி சிலிக்கா ஏர்ஜெலில் சுட்டது. சிலிக்கா ஏர்கலில் எலக்ட்ரான்களுடன் ஒன்றிணைக்க அனுமதிக்கப்பட்ட மியூன்கள் மியூனியம் உருவாகின்றன (மையத்தில் ஒரு நேர்மறையான மியூயன் மற்றும் நேர்மறை மியூனைச் சுற்றியுள்ள எலக்ட்ரானைக் கொண்ட ஒரு நடுநிலை, அணு போன்ற துகள் அல்லது போலி அணு). பின்னர், எலக்ட்ரான்கள் மியூனியத்திலிருந்து கதிர்வீச்சு மூலம் லேசர் மூலம் அகற்றப்பட்டன, இது நேர்மறையான மியூன்களை ஒளியின் வேகத்தில் 0.002% வரை குளிர்வித்தது. அதன் பிறகு, குளிரூட்டப்பட்ட நேர்மறை மியூன்கள் ரேடியோ-அதிர்வெண் மின்சார புலத்தைப் பயன்படுத்தி துரிதப்படுத்தப்பட்டன. இவ்வாறு உருவாக்கப்பட்ட துரிதப்படுத்தப்பட்ட நேர்மறை மியூன்கள் திசை கொண்டவை, ஏனென்றால் அவை பூஜ்ஜியத்திற்கு அருகில் இருந்து தொடங்கியது, ஏனெனில் அவை அதிக திசை மியூன் கற்றை ஆகின்றன, ஏனெனில் படிப்படியாக ஒளியின் வேகத்தில் சுமார் 4% ஐ எட்டியது. மியூன் முடுக்கம் தொழில்நுட்பத்தில் இது ஒரு மைல்கல்.  

ஒளியின் வேகத்தில் 94% ஆக நேர்மறையான மியூன்களை துரிதப்படுத்த ஆராய்ச்சி குழு திட்டமிட்டுள்ளது. 

*** 

குறிப்புகள்:  

1. ஒரேகான் பல்கலைக்கழகம். ஆரம்பகால பிரபஞ்சம் - டிம் தொடக்கத்தில். இல் கிடைக்கும் https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. துரிதப்படுத்தும் அறிவியல் - மூன் மோதல். கிடைக்கும் இடம் https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. செய்தி வெளியீடு - உலகின் முதல் குளிரூட்டல் மற்றும் மியூனின் முடுக்கம். இடுகையிடப்பட்டது 23 மே 2024. கிடைக்கிறது https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. அரிட்டோம் எஸ்., மற்றும் பலர்., 2024. ஒரு ரேடியோ-அதிர்வெண் குழி மூலம் நேர்மறை மியூன்களின் முடுக்கம். Arxiv இல் முன் அச்சிடுங்கள். 15 அக்டோபர் 2024 அன்று சமர்ப்பிக்கப்பட்டது. Doi: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

தொடர்புடைய கட்டுரைகள்  

அடிப்படை துகள்கள் விரைவான பார்வை. "டாப் குவார்க்குகளுக்கு" இடையே உள்ள குவாண்டம் என்டாங்கிள்மென்ட் அதிகபட்ச ஆற்றல்களில் காணப்பட்டது  (22 செப்டம்பர் 2024).  

***