"ખૂબ જ પ્રારંભિક બ્રહ્માંડ" ના અભ્યાસ માટે પાર્ટિકલ કોલાઈડર્સ: મુઓન કોલાઈડરનું નિદર્શન

પાર્ટિકલ એક્સિલરેટર્સનો ઉપયોગ ખૂબ જ પ્રારંભિક બ્રહ્માંડના અભ્યાસ માટે સંશોધન સાધનો તરીકે થાય છે. હેડ્રોન કોલાઈડર્સ (ખાસ કરીને સીઇઆરએનનું લાર્જ હેડ્રોન કોલાઈડર એલએચસી) અને ઈલેક્ટ્રોન-પોઝીટ્રોન કોલાઈડર્સ ખૂબ જ પ્રારંભિક બ્રહ્માંડની શોધમાં મોખરે છે. લાર્જ હેડ્રોન કોલાઈડર (LHC) ખાતે ATLAS અને CMS પ્રયોગો 2012 માં હિગ્સ બોસોન શોધવામાં સફળ રહ્યા હતા. આવા અભ્યાસોમાં મ્યુઓન કોલાઈડરનો નોંધપાત્ર ઉપયોગ થઈ શકે છે જો કે તે હજુ સુધી વાસ્તવિકતા નથી. સંશોધકો હવે પ્રકાશની ગતિના આશરે 4% સુધી હકારાત્મક મ્યુઓનને વેગ આપવામાં સફળ થયા છે. મ્યુઓનનું આ વિશ્વનું પ્રથમ ઠંડક અને પ્રવેગક છે. કન્સેપ્ટના પુરાવા તરીકે, આ નજીકના ભવિષ્યમાં પ્રથમ મ્યુઓન પ્રવેગકની અનુભૂતિ માટે માર્ગ મોકળો કરે છે.  

પ્રારંભિક બ્રહ્માંડનો હાલમાં જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (JWST) દ્વારા અભ્યાસ કરવામાં આવી રહ્યો છે. પ્રારંભિક બ્રહ્માંડના અભ્યાસ માટે વિશિષ્ટ રીતે સમર્પિત, JWST બિગ બેંગ પછી બ્રહ્માંડમાં રચાયેલા પ્રારંભિક તારાઓ અને તારાવિશ્વોમાંથી ઓપ્ટિકલ/ઇન્ફ્રારેડ સિગ્નલોને પસંદ કરીને આમ કરે છે. તાજેતરમાં, JWST એ બિગ બેંગના લગભગ 14 મિલિયન વર્ષો પછી પ્રારંભિક બ્રહ્માંડમાં રચાયેલી સૌથી દૂરની ગેલેક્સી JADES-GS-z0-290 સફળતાપૂર્વક શોધી કાઢી હતી.  

બ્રહ્માંડના ત્રણ તબક્કા છે - રેડિયેશન યુગ, દ્રવ્ય યુગ અને વર્તમાન શ્યામ ઊર્જા યુગ. બિગ બેંગથી લગભગ 50,000 વર્ષ સુધી, બ્રહ્માંડ રેડિયેશનનું વર્ચસ્વ હતું. આ પછી મેટર યુગ આવ્યો. દ્રવ્ય યુગનો ગેલેક્ટીક યુગ જે બિગ બેંગ પછી લગભગ 200 મિલિયન વર્ષોથી બિગ બેંગ પછી લગભગ 3 બિલિયન વર્ષ સુધી ચાલ્યો હતો તે તારાવિશ્વો જેવા વિશાળ બંધારણોની રચના દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. આ યુગને સામાન્ય રીતે "પ્રારંભિક બ્રહ્માંડ" તરીકે ઓળખવામાં આવે છે જેનો JWST અભ્યાસ કરે છે.  

"ખૂબ જ પ્રારંભિક બ્રહ્માંડ" એ બિગ બેંગ પછી તરત જ બ્રહ્માંડના પ્રારંભિક તબક્કાનો ઉલ્લેખ કરે છે જ્યારે તે અત્યંત ગરમ હતું અને રેડિયેશન દ્વારા સંપૂર્ણ રીતે પ્રભુત્વ ધરાવતું હતું. પ્લેન્ક યુગ એ રેડિયેશન યુગનો પ્રથમ યુગ છે જે બિગ બેંગથી 10 સુધી ચાલ્યો હતો^-43 s 10 ના તાપમાન સાથે³² K, આ યુગમાં બ્રહ્માંડ ખૂબ ગરમ હતું. પ્લાન્ક યુગ પછી ક્વાર્ક, લેપ્ટોન અને ન્યુક્લિયર યુગો આવ્યા; બધા અલ્પજીવી હતા પરંતુ અત્યંત ઊંચા તાપમાન દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવ્યા હતા જે બ્રહ્માંડના વિસ્તરણ સાથે ધીમે ધીમે ઘટતા ગયા હતા.  

બ્રહ્માંડના આ પ્રારંભિક તબક્કાનો સીધો અભ્યાસ શક્ય નથી. કણોના પ્રવેગકમાં બિગ બેંગ પછી બ્રહ્માંડની પ્રથમ ત્રણ મિનિટની સ્થિતિને ફરીથી બનાવવા માટે શું કરી શકાય છે. પ્રવેગક/અથડામણમાં કણોની અથડામણ દ્વારા જનરેટ થયેલો ડેટા ખૂબ જ પ્રારંભિક બ્રહ્માંડની પરોક્ષ વિન્ડો આપે છે.  

પાર્ટિકલ ફિઝિક્સમાં કોલાઈડર્સ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ સંશોધન સાધનો છે. આ ગોળાકાર અથવા રેખીય મશીનો છે જે પ્રકાશની ગતિની નજીક ખૂબ જ ઊંચી ઝડપે કણોને વેગ આપે છે અને તેમને વિરુદ્ધ દિશામાંથી અથવા લક્ષ્યની સામે આવતા અન્ય કણ સાથે અથડાવા દે છે. અથડામણો ટ્રિલિયન કેલ્વિનના ક્રમમાં અત્યંત ઊંચા તાપમાન પેદા કરે છે (કિરણોત્સર્ગ યુગના પ્રારંભિક યુગમાં હાજર પરિસ્થિતિઓ જેવી જ). અથડાતા કણોની ઉર્જા ઉમેરવામાં આવે છે તેથી અથડામણ ઉર્જા વધુ હોય છે જે સમૂહ-ઊર્જા સમપ્રમાણતા મુજબ ખૂબ જ પ્રારંભિક બ્રહ્માંડમાં અસ્તિત્વમાં રહેલા વિશાળ કણોના સ્વરૂપમાં પદાર્થમાં પરિવર્તિત થાય છે. પ્રારંભિક બ્રહ્માંડમાં અસ્તિત્વમાં રહેલી પરિસ્થિતિઓમાં ઉચ્ચ ઉર્જા કણો વચ્ચેની આવી ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ તે સમયના અન્યથા અપ્રાપ્ય વિશ્વને વિન્ડો આપે છે અને અથડામણના આડપેદાશોનું વિશ્લેષણ ભૌતિકશાસ્ત્રના નિયમનકારી નિયમોને સમજવાનો માર્ગ પ્રદાન કરે છે.  

કદાચ, અથડામણનું સૌથી પ્રસિદ્ધ ઉદાહરણ CERN ના લાર્જ હેડ્રોન કોલાઈડર (LHC) એટલે કે, મોટા કદના કોલાઈડર છે જ્યાં હેડ્રોન (ફક્ત પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન જેવા ક્વાર્કથી બનેલા સંયુક્ત કણો) અથડાતા હોય છે. તે વિશ્વનું સૌથી મોટું અને સૌથી શક્તિશાળી અથડામણ કરનાર છે જે 13 TeV (ટેરાઈલેક્ટ્રોનવોલ્ટ) ની ઉર્જા પર અથડામણ ઉત્પન્ન કરે છે જે પ્રવેગક દ્વારા પહોંચેલી સૌથી વધુ ઉર્જા છે. અથડામણની આડપેદાશોનો અભ્યાસ અત્યાર સુધી ખૂબ સમૃદ્ધ રહ્યો છે. લાર્જ હેડ્રોન કોલાઈડર (LHC) ખાતે ATLAS અને CMS પ્રયોગો દ્વારા 2012 માં હિગ્સ બોસોનની શોધ વિજ્ઞાનમાં એક સીમાચિહ્નરૂપ છે.  

કણોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના અભ્યાસનું પ્રમાણ પ્રવેગકની ઊર્જા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. નાના અને નાના સ્કેલ પર અન્વેષણ કરવા માટે, વ્યક્તિને ઉચ્ચ અને ઉચ્ચ ઊર્જાના પ્રવેગકોની જરૂર પડે છે. તેથી, પાર્ટિકલ ફિઝિક્સના પ્રમાણભૂત મોડલની સંપૂર્ણ શોધ અને નાના સ્કેલ પર તપાસ માટે હાલમાં ઉપલબ્ધ કરતાં ઉચ્ચ-ઊર્જા પ્રવેગકની શોધ હંમેશા રહે છે. તેથી, કેટલાક નવા ઉચ્ચ-ઉર્જા પ્રવેગક હાલમાં પાઇપલાઇનમાં છે.  

CERN નું હાઇ-લુમિનોસિટી લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડર (HL – LHC), જે 2029 સુધીમાં કાર્યરત થવાની સંભાવના છે, તે અથડામણની સંખ્યામાં વધારો કરીને LHCની કામગીરીને વધારવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવી છે જેથી જાણીતી પદ્ધતિઓનો વધુ વિગતવાર અભ્યાસ કરી શકાય. બીજી તરફ, ફ્યુચર સર્ક્યુલર કોલાઈડર (FCC) એ CERN નો અત્યંત મહત્વાકાંક્ષી ઉચ્ચ પ્રદર્શન પાર્ટિકલ કોલાઈડર પ્રોજેક્ટ છે જે જમીનથી 100 મીટર નીચે પરિઘમાં લગભગ 200 કિમી હશે અને લાર્જ હેડ્રોન કોલાઈડર (LHC) થી આગળ વધશે. તેનું બાંધકામ 2030 ના દાયકામાં શરૂ થવાની સંભાવના છે અને તેને બે તબક્કામાં લાગુ કરવામાં આવશે: FCC-ee (ચોકસાઇ માપન) 2040 ના દાયકાના મધ્ય સુધીમાં કાર્યરત થશે જ્યારે FCC-hh (ઉચ્ચ ઊર્જા) 2070 ના દાયકામાં કાર્ય શરૂ કરશે. FCC એ LHC ની પહોંચની બહાર, નવા, ભારે કણોના અસ્તિત્વ અને સ્ટાન્ડર્ડ મોડલ કણો સાથે ખૂબ જ નબળા રીતે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા હળવા કણોના અસ્તિત્વની શોધ કરવી જોઈએ.  

આમ, કોલાઈડરમાં અથડાતા કણોનું એક જૂથ પ્રોટોન અને ન્યુક્લી જેવા હેડ્રોન છે જે ક્વાર્કથી બનેલા સંયુક્ત કણો છે. આ ભારે હોય છે અને સંશોધકોને LHCની જેમ ઉચ્ચ ઊર્જા સુધી પહોંચવા દે છે. અન્ય જૂથ લેપ્ટોન્સનું છે જેમ કે ઇલેક્ટ્રોન અને પોઝીટ્રોન. આ કણો લાર્જ ઈલેક્ટ્રોન-પોઝિટ્રોન કોલાઈડર (LEPC) અને સુપરકેકેબી કોલાઈડરના કિસ્સામાં પણ અથડાઈ શકે છે. ઇલેક્ટ્રોન-પોઝિટ્રોન આધારિત લેપ્ટન કોલાઇડર સાથેનો એક મુખ્ય મુદ્દો સિંક્રોટ્રોન કિરણોત્સર્ગને કારણે મોટી ઉર્જા નુકશાન છે જ્યારે કણોને ગોળાકાર ભ્રમણકક્ષામાં ફરજ પાડવામાં આવે છે જેને મ્યુઅન્સનો ઉપયોગ કરીને દૂર કરી શકાય છે. ઇલેક્ટ્રોનની જેમ, મ્યુઓન એ પ્રાથમિક કણ છે પરંતુ ઇલેક્ટ્રોન કરતાં 200 ગણા ભારે છે તેથી સિંક્રોટ્રોન રેડિયેશનને કારણે ઘણી ઓછી ઉર્જા નુકશાન થાય છે.  

હેડ્રોન કોલાઈડરથી વિપરીત, મ્યુઓન કોલાઈડર ઓછી ઉર્જાનો ઉપયોગ કરીને ચાલી શકે છે જે 10 TeV હેડ્રોન કોલાઈડરની સમકક્ષ 100 TeV મ્યુઓન કોલાઈડર બનાવે છે. તેથી, ઉચ્ચ ઉર્જા ભૌતિકશાસ્ત્રના પ્રયોગો માટે FCC-ee, અથવા સી.એલ.સી. (કોમ્પેક્ટ લીનિયર કોલાઇડર) અથવા આઈ.એલ.સી. (ઇન્ટરનેશનલ લીનિયર કોલાઇડર). ઉચ્ચ ઉર્જા ભાવિ અથડામણની લાંબી સમયરેખાને જોતાં, મ્યુઓન કોલાઈડર્સ આગામી ત્રણ દાયકાઓ માટે કણ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં માત્ર સંભવિત સંશોધન સાધન બની શકે છે. મ્યુઓન્સ સ્ટાન્ડર્ડ મોડલની બહારના સંશોધન તરફ વિસંગત ચુંબકીય ક્ષણ (g-2) અને ઇલેક્ટ્રિક ડાઇપોલ મોમેન્ટ (EDM) ના અતિ-ચોક્કસ માપન માટે ઉપયોગી થઈ શકે છે. મ્યુઓન ટેક્નોલોજીમાં કેટલાક આંતરશાખાકીય સંશોધન ક્ષેત્રોમાં પણ એપ્લિકેશન છે.  

જો કે, મ્યુઓન કોલાઈડર્સને સાકાર કરવામાં તકનીકી પડકારો છે. હેડ્રોન અને ઈલેક્ટ્રોનથી વિપરીત જે ક્ષીણ થતા નથી, મ્યુઓન ઈલેક્ટ્રોન અને ન્યુટ્રિનોમાં ક્ષીણ થતા પહેલા માત્ર 2.2 માઈક્રોસેકન્ડનું ટૂંકું જીવનકાળ ધરાવે છે. પરંતુ મ્યુઓનનું આયુષ્ય ઉર્જા સાથે વધે છે જે દર્શાવે છે કે તેનો ક્ષય જો ઝડપથી કરવામાં આવે તો તેને મુલતવી રાખી શકાય છે. પરંતુ મ્યુન્સને વેગ આપવો તકનીકી રીતે મુશ્કેલ છે કારણ કે તેમની પાસે સમાન દિશા અથવા ગતિ નથી.  

તાજેતરમાં, જાપાન પ્રોટોન એક્સિલરેટર રિસર્ચ કોમ્પ્લેક્સ (J-PARC) ના સંશોધકોએ મ્યુઓન ટેક્નોલોજી પડકારોને દૂર કરવામાં સફળતા મેળવી છે. તેઓ વિશ્વમાં પ્રથમ વખત પ્રકાશની ગતિના આશરે 4% સુધી હકારાત્મક મ્યુઓનને વેગ આપવામાં સફળ થયા. ઠંડક અને પ્રવેગક તકનીકોના વર્ષોના સતત વિકાસ પછી હકારાત્મક મ્યુઓનના ઠંડક અને પ્રવેગકનું આ પ્રથમ પ્રદર્શન હતું.  

J-PARC ખાતે પ્રોટોન એક્સિલરેટર પ્રતિ સેકન્ડ અંદાજે 100 મિલિયન મ્યુઓન ઉત્પન્ન કરે છે. આ પ્રોટોનને પ્રકાશની ઝડપની નજીક વેગ આપીને અને તેને ગ્રેફાઇટને પાયન્સ બનાવવાની મંજૂરી આપીને કરવામાં આવે છે. મ્યુઅન્સ પાયન્સના સડો ઉત્પાદન તરીકે રચાય છે.  

સંશોધન ટીમે પ્રકાશની ગતિ કરતાં લગભગ 30% જેટલી ઝડપ ધરાવતા સકારાત્મક મ્યુઓનનું નિર્માણ કર્યું અને તેને સિલિકા એરોજેલમાં શૂટ કર્યું. મ્યુઓનિયમ (એક તટસ્થ, અણુ જેવો કણ અથવા સ્યુડો અણુ કે જેમાં કેન્દ્રમાં હકારાત્મક મ્યુઓન હોય છે અને હકારાત્મક મ્યુઓનની આસપાસ ઇલેક્ટ્રોન હોય છે) ની રચના થાય છે. ત્યારબાદ, લેસર દ્વારા ઇરેડિયેશન દ્વારા મ્યુઓનિયમમાંથી ઇલેક્ટ્રોન છીનવી લેવામાં આવ્યા હતા જેણે પોઝિટિવ મ્યુઓનને પ્રકાશની ગતિના લગભગ 0.002% સુધી ઠંડું પાડ્યું હતું. તે પછી, રેડિયો-ફ્રિકવન્સી ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડનો ઉપયોગ કરીને કૂલ્ડ પોઝિટિવ મ્યુઅન્સને ઝડપી બનાવવામાં આવ્યા હતા. આ રીતે બનાવેલ એક્સિલરેટેડ પોઝિટિવ મ્યુઓન દિશાત્મક હતા કારણ કે તેઓ શૂન્યની નજીકથી ખૂબ જ દિશાત્મક મ્યુઓન બીમ બનવા લાગ્યા હતા કારણ કે ધીમે ધીમે પ્રકાશની ગતિના આશરે 4% સુધી પહોંચતા પ્રવેગિત થયા હતા. મ્યુઓન પ્રવેગક તકનીકમાં આ એક સીમાચિહ્નરૂપ છે.  

સંશોધન ટીમ આખરે પ્રકાશની ગતિના 94% સુધી હકારાત્મક મ્યુઅન્સને વેગ આપવાનું આયોજન કરે છે. 

*** 

સંદર્ભ:  

1. ઓરેગોન યુનિવર્સિટી. પ્રારંભિક બ્રહ્માંડ - ટિમની શરૂઆત તરફ. પર ઉપલબ્ધ છે https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. એક્સિલરેટિંગ સાયન્સ - મુઓન કોલાઇડર. અહીં ઉપલબ્ધ છે https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. પ્રેસ રીલીઝ - વિશ્વની પ્રથમ ઠંડક અને મ્યુઓનનું પ્રવેગક. 23 મે 2024 ના રોજ પોસ્ટ કરવામાં આવ્યું. પર ઉપલબ્ધ https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. એરિટોમ એસ., એટ અલ., 2024. રેડિયો-ફ્રિકવન્સી કેવિટી દ્વારા પોઝિટિવ મ્યુઅન્સનું પ્રવેગક. arXiv પર પ્રીપ્રિન્ટ કરો. 15 ઓક્ટોબર 2024ના રોજ સબમિટ કરેલ. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

સંબંધિત લેખો  

મૂળભૂત કણો એક ઝડપી દેખાવ. અવલોકન કરાયેલ સર્વોચ્ચ ઉર્જા પર "ટોપ ક્વાર્ક" વચ્ચે ક્વોન્ટમ એન્ટેંગલમેન્ટ  (22 સપ્ટેમ્બર 2024).  

***