「初期宇宙」の研究のための粒子加速器：ミューオン衝突型加速器の実証

粒子加速器は、初期宇宙の研究のための研究ツールとして使用されています。ハドロン衝突型加速器（特に CERN の大型ハドロン衝突型加速器 LHC）と電子陽電子衝突型加速器は、初期宇宙の探査の最前線にあります。大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の ATLAS および CMS 実験は、2012 年にヒッグス粒子の発見に成功しました。ミューオン衝突型加速器は、このような研究に大いに役立つ可能性がありますが、まだ実現していません。研究者たちは現在、正ミューオンを光速の約 4% まで加速することに成功しています。これは、世界初のミューオンの冷却と加速です。これは概念実証として、近い将来に初のミューオン加速器を実現する道を開きます。  

初期宇宙は現在、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) によって研究されています。初期宇宙の研究に特化した JWST は、ビッグバン後に宇宙で形成された初期の星や銀河からの光/赤外線信号を拾って研究を行っています。最近、JWST はビッグバンから約 14 億 0 万年後の初期宇宙で形成された最も遠い銀河 JADES-GS-z290-XNUMX を発見することに成功しました。  

宇宙には、放射線の時代、物質の時代、そして現在のダークエネルギーの時代という50,000つの段階があります。ビッグバンから約200万年まで、宇宙は放射線に支配されていました。その後、物質の時代が続きました。ビッグバンから約3億年後から約XNUMX億年後まで続いた物質の時代の銀河時代は、銀河のような大きな構造の形成を特徴としていました。この時代は通常、JWSTが研究する「初期宇宙」と呼ばれています。  

「初期宇宙」とは、ビッグバン直後の宇宙の最も初期の段階を指し、当時は非常に高温で、完全に放射線が支配的でした。プランク時代は、ビッグバンから10億年まで続いた放射線時代の最初の時代です。^-43 気温10度³² K、この時代の宇宙は超高温でした。プランク時代の後にはクォーク、レプトン、原子核の時代が続きました。いずれも短命でしたが、非常に高温であることが特徴で、宇宙が膨張するにつれて徐々に温度が低下しました。  

宇宙のこの最も初期の段階を直接研究することは不可能です。ビッグバン後の最初の 3 分間の宇宙の状態を粒子加速器で再現することは可能です。加速器/衝突型加速器での粒子の衝突によって生成されるデータは、ごく初期の宇宙を間接的に観察する窓となります。  

衝突型加速器は、素粒子物理学において非常に重要な研究ツールです。これらは円形または直線状の機械で、粒子を光速に近い超高速に加速し、反対方向から来る別の粒子やターゲットに衝突させます。衝突により、数兆ケルビンのオーダーの極めて高い温度が発生します (放射線時代の最も初期の時代に存在した条件と同様)。衝突する粒子のエネルギーが加算されるため、衝突エネルギーが高くなり、質量エネルギー対称性に従って、非常に初期の宇宙に存在していた巨大な粒子の形で物質に変換されます。非常に初期の宇宙に存在していた条件での高エネルギー粒子間のこのような相互作用は、当時の他の方法ではアクセスできない世界を垣間見る窓を提供し、衝突の副産物を分析することで、物理の支配法則を理解する方法が得られます。  

おそらく、最も有名な衝突型加速器の例は、CERN の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) です。これは、ハドロン (陽子や中性子などのクォークのみで構成された複合粒子) が衝突する大型の衝突型加速器です。これは、加速器が到達する最高エネルギーである 13 TeV (テラ電子ボルト) のエネルギーで衝突を発生させる、世界最大かつ最強の衝突型加速器です。衝突の副産物の研究は、これまで非常に充実しています。2012 年に大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の ATLAS および CMS 実験によってヒッグス粒子が発見されたことは、科学における画期的な出来事です。  

粒子相互作用の研究規模は、加速器のエネルギーによって決まります。より小さな規模で探究するには、より高エネルギーの加速器が必要になります。そのため、粒子物理学の標準モデルの完全な探究とより小さな規模での調査のために、現在利用可能なものよりも高エネルギーの加速器が常に求められています。そのため、現在、いくつかの新しい高エネルギー加速器が計画されています。  

2029年までに稼働する予定のCERNの高輝度大型ハドロン衝突型加速器（HL-LHC）は、衝突回数を増やすことでLHCの性能を高め、既知のメカニズムをより詳細に研究できるように設計されている。一方、将来円形衝突型加速器（FCC）は、CERNの非常に野心的な高性能粒子衝突型加速器プロジェクトであり、円周約100km、地下200メートルに位置し、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の後継となる。その建設は2030年代に開始される可能性があり、2040段階で実施される予定である。FCC-ee（精密測定）は2070年代半ばまでに稼働し、FCC-hh（高エネルギー）はXNUMX年代に稼働を開始する。FCCは、LHCの届かない新しい重い粒子の存在と、標準モデルの粒子と非常に弱く相互作用する軽い粒子の存在を調査する必要がある。  

したがって、衝突型加速器で衝突する粒子の 200 つのグループは、クォークでできた複合粒子である陽子や原子核などのハドロンです。これらは重く、研究者は LHC の場合のように高エネルギーに到達できます。もう XNUMX つのグループは、電子や陽電子などのレプトンです。これらの粒子も、大型電子陽電子衝突型加速器 (LEPC) やスーパー KEKB 衝突型加速器の場合のように衝突する可能性があります。電子陽電子ベースのレプトン衝突型加速器の大きな問題の XNUMX つは、粒子が円軌道に強制されるときにシンクロトロン放射によって大きなエネルギー損失が発生することですが、これはミューオンを使用することで克服できます。電子と同様に、ミューオンは基本粒子ですが、電子の XNUMX 倍の重さがあるため、シンクロトロン放射によるエネルギー損失ははるかに少なくなります。  

ハドロン衝突型加速器とは異なり、ミューオン衝突型加速器はより少ないエネルギーで動作できるため、10 TeVミューオン衝突型加速器は100 TeVハドロン衝突型加速器と同等の性能を持つ。そのため、ミューオン衝突型加速器は、高輝度大型ハドロン衝突型加速器（HL-LHC）の完成後に、FCC-eeよりも高エネルギー物理学実験においてより重要になる可能性がある。 クリック （コンパクトリニアコライダー）または ILC (国際リニアコライダー)。高エネルギーの将来の衝突型加速器のタイムラインが長期化していることを考えると、ミューオン衝突型加速器は、今後 2 年間、素粒子物理学における唯一の潜在的な研究ツールになる可能性があります。ミューオンは、標準モデルを超えた探究に向けて、異常磁気モーメント (g-XNUMX) と電気双極子モーメント (EDM) の超精密測定に役立ちます。ミューオン技術は、いくつかの学際的な研究分野にも応用されています。  

しかし、ミューオン衝突型加速器の実現には技術的な課題がある。崩壊​​しないハドロンや電子とは異なり、ミューオンの寿命は短く、電子とニュートリノに崩壊するまでわずか2.2マイクロ秒である。しかし、ミューオンの寿命はエネルギーとともに長くなるため、急速に加速すれば崩壊を遅らせることができる。しかし、ミューオンの加速は、方向や速度が一定ではないため技術的に難しい。  

最近、大強度陽子加速器施設（J-PARC）の研究者らは、ミューオン技術の課題を克服することに成功しました。彼らは世界で初めて、正ミューオンを光速の約4％まで加速することに成功しました。これは、長年にわたる冷却および加速技術の継続的な開発を経て、正ミューオンの冷却と加速を初めて実証したものです。  

J-PARC の陽子加速器は、100 秒あたり約 XNUMX 億個のミューオンを生成します。これは、陽子を光速近くまで加速し、グラファイトに衝突させてパイオンを形成することによって行われます。ミューオンはパイオンの崩壊生成物として生成されます。  

研究チームは、光速の約30％の速度を持つ正ミューオンを生成し、シリカエアロゲルに打ち込みました。これにより、ミューオンはシリカエアロゲル中の電子と結合し、ミュオニウム（中心の正ミューオンとその周囲の電子からなる中性の原子状粒子または擬似原子）を形成しました。次に、レーザーを照射してミュオニウムから電子を剥ぎ取り、光速の約0.002％まで冷却した正ミューオンを、高周波電場を用いて加速しました。こうして生成された加速された正ミューオンは、ほぼゼロから始まり、徐々に光速の約4％に達するにつれて非常に方向性のあるミューオンビームになったため、方向性がありました。これは、ミューオン加速技術における画期的な出来事です。  

研究チームは最終的に正ミューオンを光速の94%まで加速することを計画している。 

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参照：  

1. オレゴン大学。初期宇宙 - ティムの始まりへ。 https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN。加速科学 - ミューオン衝突型加速器。 https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC。プレスリリース – 世界初、ミューオンの冷却と加速。23年2024月XNUMX日掲載。こちらから入手可能。 https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. 高周波空洞による正ミューオンの加速。arXiv のプレプリント。15 年 2024 月 XNUMX 日提出。DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

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