برخورددهنده میون چیست؟
برخورددهنده میون (Muon Collider) یک تأسیسات پیشنهادی شتابدهنده ذرات است که در مرحله طراحی مفهومی قرار دارد. هدف اصلی آن، برخورد دادن پرتوهای میون به یکدیگر برای انجام مطالعات دقیق بر روی مدل استاندارد فیزیک ذرات و جستجوی مستقیم برای فیزیک جدید است.
میونها (Muons) جزو نسل دوم لپتونها هستند و معمولاً در برخوردهای پرانرژی، چه به صورت طبیعی (مانند برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین) و چه به صورت مصنوعی (در محیطهای کنترلشده با استفاده از شتابدهندههای ذرات)، تولید میشوند. بزرگترین چالش در ساخت چنین برخوردهندهای، عمر کوتاه میونها است.
چرا میون به جای الکترون؟
برخورددهندههای لپتونی قبلی همگی از الکترونها و/یا پوزیترونها (پادذره الکترون) استفاده میکردند. این برخورددهندهها نسبت به برخورددهندههای هادرونی (مانند LHC در سرن) مزیت دارند؛ زیرا برخوردهای لپتونی به دلیل اینکه الکترونها و پوزیترونها ذرات بنیادی هستند، نسبتاً «پاک» (clean) هستند. در مقابل، هادرونها مانند پروتونها، ذرات مرکب هستند.
با این حال، برخورددهندههای الکترون-پوزیترون قادر به دستیابی به همان انرژی مرکز جرم (centre-of-mass energy) برخورددهندههای هادرونی در شتابدهندههای دایرهای نیستند. دلیل این امر، اتلاف انرژی ناشی از تابش سنکروترون (synchrotron radiation) است.
مزایای برخورددهنده میون
یک میون تقریباً 206 برابر سنگینتر از یک الکترون است. این جرم بیشتر، میزان تابش سنکروترون را از یک میون به کسری حدود یک میلیارد کاهش میدهد. این کاهش چشمگیر اتلاف انرژی، امکان ساخت برخورددهندههای دایرهای با انرژیهای طراحی بسیار بالاتر نسبت به برخورددهندههای معادل الکترون/پوزیترون را فراهم میکند.
این ویژگی، ترکیب منحصربهفردی از انرژی مرکز جرم بالا و محیط برخورد پاک را ارائه میدهد که در هیچ نوع برخورددهنده دیگری قابل دستیابی نیست. نشان داده شده است که یک برخورددهنده میون میتواند به انرژیهای چندین تراالکترونولت (TeV) دست یابد.
بهطور خاص، با انرژی مرکز جرم 3 تراالکترونولت، برخورددهنده میون کارآمدترین نوع برخورددهنده از نظر مصرف انرژی است. در انرژی 10 تراالکترونولت، این برخورددهنده قادر به دستیابی به دستاوردهای فیزیکی مشابه با برخورددهنده هادرونی 100 تراالکترونولتی پیشنهادی (FCC-hh) خواهد بود، در حالی که در حلقهای به اندازه LHC (27 کیلومتر) جای میگیرد و نیازی به تونل گرانقیمت 100 کیلومتری پیشبینی شده برای برخورددهنده مداری آینده (Future Circular Collider) ندارد.
علاوه بر این، برخورددهنده میون روشی پاک و مؤثر برای تولید بوزون هیگز نیز فراهم میکند.
چالشها و راهحلهای فنی
میونها ذراتی با عمر کوتاه هستند؛ عمر آنها در چارچوب سکونشان 2.2 میکروثانیه (μs) است. این واقعیت یک چالش جدی برای مجموعه شتابدهنده ایجاد میکند: میونها باید قبل از واپاشی به انرژی بالایی برسند و شتابدهنده به یک منبع مداوم میونهای جدید نیاز دارد.
این موضوع بر طراحی آزمایش نیز تأثیر میگذارد: شار بالای ذرات ناشی از محصولات واپاشی میون در نهایت به آشکارساز میرسد و نیازمند فناوریهای پیشرفته آشکارسازی و الگوریتمهای بازسازی رویداد برای تمایز این ذرات از محصولات برخورد است.
روش پایه تولید میون که امروزه در نظر گرفته میشود، بر اساس برخورد یک پرتو پروتون پرانرژی به یک هدف برای تولید پیونها (pions) است که سپس به میونها واپاشی میکنند. این میونها دارای پراکندگی قابل توجهی در جهت و انرژی هستند که برای شتابدهی بیشتر در حلقه، باید کاهش یابد. امکان انجام این فرآیند «خنکسازی 6 بعدی» (6D cooling) میونها توسط آزمایش خنکسازی یونی میون (MICE) به اثبات رسیده است.
یک روش تولید جایگزین، شتابدهنده میون با گسیلندگی کم (LEMMA)، از یک پرتو پوزیترون استفاده میکند که به یک هدف ثابت برخورد کرده و جفتهای میون را از فرآیند نابودی الکترون-پوزیترون در انرژی مرکز جرم آستانه تولید میکند. پرتو حاصل نیازی به مرحله خنکسازی ندارد، اما از سطح مقطع تولید میون بسیار پایین رنج میبرد، که دستیابی به لومیناسیته بالا با منابع پوزیترون موجود را چالشبرانگیز میکند.
تاریخچه و چشمانداز
گفتگوها در مورد برخورددهندههای میون از سال 2009 آغاز شد. اولین طرح اختصاصی برای مجموعه شتابدهنده و طراحی آشکارساز برای انرژیهای مرکز جرم تا 3 تراالکترونولت، در طول سالهای 2010-2015 در چارچوب برنامه شتابدهنده میون آمریکا (American Muon Accelerator Program) توسعه یافت.
علاقه به پروژه برخورددهنده میون در سال 2020، پس از انتشار مقایسه قابلیتهای فیزیکی بین برخورددهنده میون 1.5 تراالکترونولتی و آزمایش CLIC، و به دنبال آن بهروزرسانی استراتژی اروپایی برای فیزیک ذرات، که در آن توصیه شد مطالعه طراحی بینالمللی برای یک برخورددهنده میون با هدف انرژیهای مرکز جرم نزدیک به 10 تراالکترونولت آغاز شود، دوباره افزایش یافت.
مطالعه بیشتر
- آزمایش بینالمللی خنکسازی یونی میون
منابع
- External links
شتابدهندههای ذرات پیشنهادی
- Proposed particle accelerators