कण त्वरक का उपयोग बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड के अध्ययन के लिए अनुसंधान उपकरण के रूप में किया जाता है। हैड्रॉन कोलाइडर (विशेष रूप से CERN का लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर LHC) और इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड की खोज में सबसे आगे हैं। लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) में एटलस और CMS प्रयोग 2012 में हिग्स बोसोन की खोज करने में सफल रहे। म्यूऑन कोलाइडर ऐसे अध्ययनों में काफी उपयोगी हो सकता है, हालांकि यह अभी तक वास्तविकता नहीं है। शोधकर्ताओं ने अब एक सकारात्मक म्यूऑन को प्रकाश की गति के लगभग 4% तक त्वरित करने में सफलता प्राप्त की है। यह दुनिया का पहला म्यूऑन का ठंडा होना और त्वरण है। अवधारणा के प्रमाण के रूप में, यह निकट भविष्य में पहले म्यूऑन त्वरक के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है।
प्रारंभिक ब्रह्मांड का अध्ययन वर्तमान में जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) द्वारा किया जा रहा है। प्रारंभिक ब्रह्मांड के अध्ययन के लिए समर्पित, JWST बिग बैंग के बाद ब्रह्मांड में बने शुरुआती तारों और आकाशगंगाओं से ऑप्टिकल/इन्फ्रारेड सिग्नल उठाकर ऐसा करता है। हाल ही में, JWST ने बिग बैंग के लगभग 14 मिलियन वर्ष बाद प्रारंभिक ब्रह्मांड में बनी सबसे दूर की आकाशगंगा JADES-GS-z0-290 की सफलतापूर्वक खोज की।
ब्रह्मांड के तीन चरण हैं - विकिरण युग, पदार्थ युग और वर्तमान डार्क एनर्जी युग। बिग बैंग से लेकर 50,000 साल तक, ब्रह्मांड में विकिरण का बोलबाला रहा। इसके बाद पदार्थ युग आया। पदार्थ युग का गैलेक्टिक युग जो बिग बैंग के लगभग 200 मिलियन वर्ष बाद से लेकर बिग बैंग के लगभग 3 बिलियन वर्ष बाद तक चला, आकाशगंगाओं जैसी बड़ी संरचनाओं के निर्माण की विशेषता थी। इस युग को आमतौर पर "प्रारंभिक ब्रह्मांड" के रूप में संदर्भित किया जाता है जिसका JWST अध्ययन करता है।
"बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड" बिग बैंग के तुरंत बाद ब्रह्मांड के शुरुआती चरण को संदर्भित करता है जब यह अत्यधिक गर्म था और पूरी तरह से विकिरण द्वारा हावी था। प्लैंक युग विकिरण युग का पहला युग है जो बिग बैंग से 10 तक चला-43 10 डिग्री के तापमान पर32 के, इस युग में ब्रह्मांड बहुत गर्म था। प्लैंक युग के बाद क्वार्क, लेप्टन और न्यूक्लियर युग आए; ये सभी अल्पकालिक थे लेकिन बेहद उच्च तापमान की विशेषता रखते थे जो ब्रह्मांड के विस्तार के साथ धीरे-धीरे कम होता गया।
ब्रह्मांड के इस प्रारंभिक चरण का प्रत्यक्ष अध्ययन संभव नहीं है। जो किया जा सकता है वह है कण त्वरक में बिग बैंग के बाद ब्रह्मांड के पहले तीन मिनट की स्थितियों को फिर से बनाना। त्वरक/कोलाइडर में कणों की टक्कर से उत्पन्न डेटा बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड के लिए एक अप्रत्यक्ष खिड़की प्रदान करता है।
कण भौतिकी में कोलाइडर बहुत महत्वपूर्ण शोध उपकरण हैं। ये गोलाकार या रैखिक मशीनें हैं जो कणों को प्रकाश की गति के करीब बहुत तेज़ गति से गति प्रदान करती हैं और उन्हें विपरीत दिशा से आने वाले दूसरे कण या किसी लक्ष्य से टकराने देती हैं। टकराव के कारण खरबों केल्विन के क्रम में अत्यधिक उच्च तापमान उत्पन्न होता है (विकिरण युग के शुरुआती युगों में मौजूद स्थितियों के समान)। टकराने वाले कणों की ऊर्जाएँ जुड़ जाती हैं इसलिए टकराव की ऊर्जा अधिक होती है जो द्रव्यमान-ऊर्जा समरूपता के अनुसार बहुत शुरुआती ब्रह्मांड में मौजूद विशाल कणों के रूप में पदार्थ में बदल जाती है। बहुत शुरुआती ब्रह्मांड में मौजूद स्थितियों में उच्च ऊर्जा कणों के बीच ऐसी बातचीत उस समय की अन्यथा दुर्गम दुनिया की झलक देती है और टकरावों के उपोत्पादों का विश्लेषण भौतिकी के शासकीय नियमों को समझने का एक तरीका प्रदान करता है।
शायद, कोलाइडर का सबसे प्रसिद्ध उदाहरण CERN का लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) है, यानी बड़े आकार के कोलाइडर जहाँ हैड्रॉन (केवल क्वार्क से बने मिश्रित कण जैसे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) टकराते हैं। यह दुनिया का सबसे बड़ा और सबसे शक्तिशाली कोलाइडर है जो 13 TeV (टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट) की ऊर्जा पर टकराव उत्पन्न करता है जो एक त्वरक द्वारा प्राप्त की गई उच्चतम ऊर्जा है। टकराव के उपोत्पादों का अध्ययन अब तक बहुत समृद्ध रहा है। 2012 में एटलस और सीएमएस द्वारा लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) में हिग्स बोसोन की खोज विज्ञान में एक मील का पत्थर है।
कण परस्पर क्रिया के अध्ययन का पैमाना त्वरक की ऊर्जा से निर्धारित होता है। छोटे से छोटे पैमाने पर अन्वेषण के लिए, अधिक से अधिक ऊर्जा वाले त्वरक की आवश्यकता होती है। इसलिए, कण भौतिकी के मानक मॉडल के पूर्ण अन्वेषण और छोटे पैमाने पर जांच के लिए वर्तमान में उपलब्ध उच्च ऊर्जा त्वरक की हमेशा तलाश रहती है। इसलिए, कई नए उच्च ऊर्जा त्वरक वर्तमान में पाइपलाइन में हैं।
सर्न का हाई-ल्यूमिनोसिटी लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एचएल-एलएचसी), जिसके 2029 तक चालू होने की संभावना है, को टकरावों की संख्या बढ़ाकर एलएचसी के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए डिज़ाइन किया गया है ताकि ज्ञात तंत्रों का अधिक विस्तार से अध्ययन किया जा सके। दूसरी ओर, फ्यूचर सर्कुलर कोलाइडर (एफसीसी) सर्न की अत्यधिक महत्वाकांक्षी उच्च प्रदर्शन कण कोलाइडर परियोजना है जो जमीन से 100 मीटर नीचे लगभग 200 किमी की परिधि में होगी और लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) का अनुसरण करेगी। इसका निर्माण 2030 के दशक में शुरू होने की संभावना है और इसे दो चरणों में लागू किया जाएगा: एफसीसी-ईई (सटीक माप) 2040 के मध्य तक चालू हो जाएगा जबकि एफसीसी-एचएच (उच्च ऊर्जा)
इस प्रकार, कोलाइडर में टकराने वाले कणों का एक समूह हैड्रॉन है जैसे प्रोटॉन और नाभिक जो क्वार्क से बने मिश्रित कण हैं। ये भारी होते हैं और शोधकर्ताओं को LHC के मामले में उच्च ऊर्जा तक पहुँचने की अनुमति देते हैं। दूसरा समूह लेप्टन का है जैसे इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन। ये कण बड़े इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर (LEPC) और सुपरकेकेबी कोलाइडर के मामले में भी टकरा सकते हैं। इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन आधारित लेप्टन कोलाइडर के साथ एक प्रमुख समस्या सिंक्रोट्रॉन विकिरण के कारण बड़ी ऊर्जा हानि है जब कणों को गोलाकार कक्षा में मजबूर किया जाता है जिसे म्यूऑन का उपयोग करके दूर किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉनों की तरह, म्यूऑन भी मूल कण हैं लेकिन इलेक्ट्रॉनों की तुलना में 200 गुना भारी होते हैं इसलिए सिंक्रोट्रॉन विकिरण के कारण बहुत कम ऊर्जा हानि होती है।
हैड्रॉन कोलाइडर के विपरीत, एक म्यूऑन कोलाइडर कम ऊर्जा का उपयोग करके चल सकता है जो 10 TeV म्यूऑन कोलाइडर को 100 TeV हैड्रॉन कोलाइडर के बराबर बनाता है। इसलिए, म्यूऑन कोलाइडर उच्च ऊर्जा भौतिकी प्रयोगों के लिए FCC-ee के मुकाबले अधिक प्रासंगिक हो सकते हैं, या सीएलआईसी (कॉम्पैक्ट लीनियर कोलाइडर) या मैं देखता हूं (इंटरनेशनल लीनियर कोलाइडर)। भविष्य में उच्च ऊर्जा वाले कोलाइडरों की लंबी समयसीमा को देखते हुए, म्यूऑन कोलाइडर अगले तीन दशकों तक कण भौतिकी में एकमात्र संभावित शोध उपकरण हो सकते हैं। म्यूऑन मानक मॉडल से परे अन्वेषण की दिशा में असामान्य चुंबकीय क्षण (जी-2) और विद्युत द्विध्रुवीय क्षण (ईडीएम) के अति-सटीक माप के लिए उपयोगी हो सकते हैं। म्यूऑन प्रौद्योगिकी के कई अंतःविषय अनुसंधान क्षेत्रों में भी अनुप्रयोग हैं।
हालांकि, म्यूऑन कोलाइडर को साकार करने में तकनीकी चुनौतियां हैं। हैड्रॉन और इलेक्ट्रॉनों के विपरीत, जो क्षय नहीं करते हैं, म्यूऑन का जीवनकाल केवल 2.2 माइक्रोसेकंड का होता है, इससे पहले कि यह इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो में विघटित हो जाए। लेकिन म्यूऑन का जीवनकाल ऊर्जा के साथ बढ़ता है, जिसका अर्थ है कि अगर इसे तेजी से बढ़ाया जाए तो इसके क्षय को स्थगित किया जा सकता है। लेकिन म्यूऑन को त्वरित करना तकनीकी रूप से कठिन है क्योंकि उनकी दिशा या गति समान नहीं होती है।
हाल ही में, जापान प्रोटॉन एक्सेलेरेटर रिसर्च कॉम्प्लेक्स (J-PARC) के शोधकर्ताओं ने म्यूऑन तकनीक की चुनौतियों पर काबू पाने में सफलता प्राप्त की है। वे दुनिया में पहली बार एक सकारात्मक म्यूऑन को प्रकाश की गति के लगभग 4% तक त्वरित करने में सफल रहे। शीतलन और त्वरण प्रौद्योगिकियों के निरंतर विकास के वर्षों के बाद सकारात्मक म्यूऑन के शीतलन और त्वरण का यह पहला प्रदर्शन था।
जे-पार्क में प्रोटॉन त्वरक प्रति सेकंड लगभग 100 मिलियन म्यूऑन उत्पन्न करता है। ऐसा प्रोटॉन को प्रकाश की गति के करीब त्वरित करके और इसे ग्रेफाइट से टकराकर पियोन बनाने की अनुमति देकर किया जाता है। म्यूऑन पियोन के क्षय उत्पाद के रूप में बनते हैं।
शोध दल ने प्रकाश की गति से लगभग 30% की गति वाले सकारात्मक म्यूऑन का उत्पादन किया और उन्हें सिलिका एरोजेल में डाला। सिलिका एरोजेल में इलेक्ट्रॉनों के साथ मिलकर म्यूऑन को अनुमति दी गई, जिसके परिणामस्वरूप म्यूओनियम (एक तटस्थ, परमाणु जैसा कण या छद्म परमाणु जिसमें केंद्र में एक सकारात्मक म्यूऑन और सकारात्मक म्यूऑन के चारों ओर एक इलेक्ट्रॉन होता है) का निर्माण हुआ। इसके बाद, लेजर द्वारा विकिरण के माध्यम से म्यूऑनियम से इलेक्ट्रॉनों को अलग किया गया, जिससे प्रकाश की गति के लगभग 0.002% तक ठंडा होने वाले सकारात्मक म्यूऑन मिले। उसके बाद, रेडियो-आवृत्ति विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके ठंडे सकारात्मक म्यूऑन को त्वरित किया गया। इस प्रकार बनाए गए त्वरित सकारात्मक म्यूऑन दिशात्मक थे क्योंकि वे शून्य के करीब से शुरू हुए और अत्यधिक दिशात्मक म्यूऑन किरण बन गए, जो धीरे-धीरे प्रकाश की गति के लगभग 4% तक पहुँचने पर त्वरित हो गए। यह म्यूऑन त्वरण प्रौद्योगिकी में एक मील का पत्थर है।
अनुसंधान दल की योजना अंततः सकारात्मक म्यूऑन को प्रकाश की गति के 94% तक त्वरित करने की है।
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सन्दर्भ:
- ओरेगन विश्वविद्यालय। प्रारंभिक ब्रह्मांड - टिम की शुरुआत की ओर। यहाँ उपलब्ध है https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- सर्न। विज्ञान को गति प्रदान करना - म्यूऑन कोलाइडर। https://home.cern/science/accelerators/muon-collider पर उपलब्ध है
- जे-पीएआरसी। प्रेस विज्ञप्ति - म्यूऑन का दुनिया का पहला ठंडा होना और उसका त्वरण। 23 मई 2024 को पोस्ट किया गया। यहाँ उपलब्ध है https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- एरिटोम एस., एट अल., 2024. रेडियो-फ्रीक्वेंसी कैविटी द्वारा सकारात्मक म्यूऑन का त्वरण। arXiv पर प्रीप्रिंट। 15 अक्टूबर 2024 को सबमिट किया गया। DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
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