در بهار 2022، کری دی پتریلو در حال آماده شدن برای مرحله نهایی فرآیند برنامه ریزی انجمن فیزیک ذرات برفی بود. این یک جلسه در دهه یک بار خواهد بود که در آن فیزیکدانان سراسر ایالات متحده در مورد آینده این رشته بحث خواهند کرد. برای دی پتریلو، که دکترای خود را از هاروارد در سال 2019 دریافت کرد، چنین بحثی می‌تواند مسیر زندگی حرفه‌ای او را شکل دهد. او و سایر دانشمندان اولیه می خواستند مطمئن شوند که صدای آنها شنیده می شود.

دی پتریلو، که اکنون استادیار دانشگاه شیکاگو و یکی از اعضای همکاری ATLAS است، با هیجان از چشم انداز نوع جدیدی از شتاب دهنده ذرات، برخورد دهنده میون، به Snowmass رفت. برخورددهنده میون نه الکترون‌ها یا پروتون‌های استاندارد، بلکه ذرات سنگین و کوتاه‌مدت به نام میون را به هم می‌کوبد. دانشمندان پیشنهاد می کنند که یک برخورد دهنده میون می تواند در ردپای آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده قرار گیرد.

ساختن برخورددهنده میون ایده جدیدی نیست، اما یک ایده بلندپروازانه است – دانشمندان هنوز ثابت نکرده اند که حتی می توان آن را انجام داد.

با این حال، پیشرفت بدون تحقیق و توسعه امکان پذیر نیست و فیزیکدانان در مراحل مختلف شغلی خود با تمایل شدید به تلاش به فرآیند Snowmass نزدیک شده اند. DiPetrillo و دیگران از رویارویی با چالش‌هایی که با پروژه جدید پیش می‌آیند، سود می‌برند. آنها همچنین پتانسیل تولید علم جالبی را دیدند که ارزش یک حرفه را دارد.

به همین دلیل – علاوه بر مشارکت در دو سال بحث، ارائه و مقالات سفید در مورد موضوع منتهی به آخرین جلسه – دی پتریلو و چندین همکار به طور مستقل ده ها تی شرت سفارشی در حمایت از برخورددهنده میون ساختند و توزیع کردند.

نمایانگر حمایت مردم از برخورددهنده Muon، تی‌شرت‌هایی در بین جمعیت حاضر در سالن ظاهر شد، پشت‌های آن با گاومیش کوهان دار گاومیش‌های کوهی که پردیس Fermilab را می‌چرخانند و با عبارت «The Collider We Need» نقش بسته بود.

دی پتریلو می گوید: «نکته شروع گفتگو بود. “و من فکر می کنم ما انجام دادیم.”

در ماه دسامبر، پنل اولویت‌بندی پروژه فیزیک ذرات، به نام P5، توصیه‌های خود را برای آینده این میدان بر اساس ورودی‌های فرآیند Snowmass منتشر کرد. در میان اولویت‌های شناسایی شده، تحقیق و توسعه فناوری شتاب‌دهنده‌های آینده، با اشاره ویژه به مفهوم ساخت برخورددهنده میون در ایالات متحده بود.

این گزارش اذعان داشت که این فناوری قبل از اینکه جامعه آمریکایی بتواند به چنین پروژه ای متعهد شود نیاز به اثبات دارد، اما اعضای P5 به اتفاق آرا موافقت کردند که این رویایی است که ارزش دنبال کردن دارد. در این گزارش آمده است: «در انتهای جاده یک تأسیسات جهانی بی‌نظیر در خاک ایالات متحده وجود دارد. “این شات میون ماست.”

بهترین از هر دو جهان

آزمایش‌های برخورددهنده، پرتوهای ذراتی را که پر از انرژی به یکدیگر یا به هدف پمپ می‌کنند، می‌کوبد. در تصادف، تمام آن انرژی می تواند به طور خلاصه به ذرات جدیدی تبدیل شود، از جمله ذراتی که عمر کوتاهی دارند یا مطالعه آنها دشوار است. این گونه بود که دانشمندان بسیاری از ذرات ناشناخته قبلی، از جمله بسیاری از اجزای مدل استاندارد را کشف کردند که پایه و اساس فیزیک مدرن را ساخت.

این کار عمدتاً در برخورددهنده هایی اتفاق افتاد که در درجه اول پروتون ها یا الکترون ها را شتاب می دادند. برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن، که به طور معمول پروتون ها را شتاب می دهد، همچنان جنبه های جدیدی از علم را آشکار می کند.

اما چنین شتاب دهنده هایی محدودیت هایی دارند. همانطور که پرتوهای ذرات با آهنربا و میدان های الکتریکی در اطراف یک برخورد دهنده دایره ای هدایت می شوند، انرژی آنها می تواند تابش شود. الکترون ها به ویژه کوچک هستند، بنابراین انرژی زیادی در یک شتاب دهنده بزرگ مدرن از دست می رود که شتاب دادن به آنها برای ایجاد برخوردهای جالب دشوار است.

پروتون ها که جرم بیشتری دارند، این مشکل را ندارند. اما برخلاف الکترون ها، پروتون ها ذرات مرکب هستند: آنها از کوارک ها و گلوئون ها ساخته شده اند. برخورد بین پرتوهای ذرات پیچیده تر چندان تمیز نیست، واقعیتی که می تواند نشانه های فیزیک جدید را پنهان کند. و از آنجایی که ذرات در حال برخورد اجزای یک پروتون هستند، تنها بخش کوچکی از انرژی پرتو وارد برخورد می شود.

از سوی دیگر، میون‌ها بنیادی هستند – از ذرات کم‌جرم تشکیل نشده‌اند.و سنگین – حدود 200 برابر بیشتر از یک الکترون وزن دارد. میون اغلب «پسر عموی» سنگین‌تر الکترون نامیده می‌شود: این دو ذره تقریباً یکسان هستند به جز تفاوت جرم. با برخورد میون‌های بنیادی با یکدیگر، برخورددهنده میون 10TeV از نظر فیزیکی معادل یک دستگاه پروتون-پروتون 100TeV است.

دی پتریلو می گوید: «این واقعاً خاص است. این دوگانگی را که بین الکترون‌های برخوردی و پروتون‌های برخوردی داریم، کاملاً از بین می‌برد.»

تولیکا بوز، استاد فیزیک در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون و یکی از اعضای P5 می‌گوید: این بدان معناست که یک برخوردکننده میون، در تئوری، می‌تواند برخوردهای تمیز و پرانرژی ایجاد کند که قادر به تولید ذراتی هستند که قبلاً هرگز دیده نشده‌اند. “داده های LHC به ما می گوید که اگر فیزیک جدیدی وجود داشته باشد – و ما فکر می کنیم وجود دارد زیرا همه پاسخ های همه سوالات را نمی دانیم – در مقیاس انرژی بالاتری خواهد بود که برخورد دهنده میون در دسترس قرار می دهد.”

برای خنک کردن پرتو میون

برخی از ذرات پایدارتر از سایرین هستند. به عنوان مثال، یک الکترون برای همیشه وجود دارد – می تواند در جهان حرکت کند و بدون واپاشی برگردد. با این حال، یک میون تنها 2.2 میکروثانیه قبل از فروپاشی دوام می آورد. این امر حفظ پرتوهای میون را به اندازه کافی برای ایجاد برخورد بسیار دشوار می کند.

علاوه بر این، امیدوارکننده‌ترین روش تولید میون، پرتوهای محکم و تصفیه‌شده نیست، بلکه ابرهای پراکنده‌ای از ذرات بسکتبال را ایجاد می‌کند که می‌توانند بدون تعامل از یکدیگر عبور کنند. برای طراحی برخورد دهنده میون، فیزیکدانان باید راهی برای متراکم کردن پرتوها و برخورد آنها قبل از تجزیه میون ها بیابند.

در سال 2010، وزارت انرژی ایالات متحده برنامه شتاب دهنده میون ایالات متحده یا MAP را برای بررسی امکان ساخت یک برخورد دهنده میون که می تواند در مقیاس TeV عمل کند، راه اندازی کرد. با این حال، اندکی پس از پرتاب آن، فیزیکدانان اولین کشف بوزون هیگز را انجام دادند. بنابراین وقتی دانشمندان برای آخرین جلسه Snowmass در سال 2013 گرد هم آمدند، روی ماشین‌هایی متمرکز شدند که می‌توانند اطلاعات بیشتری در مورد این ذره به آنها بدهند. مارک پالمر، فیزیکدان آزمایشگاه ملی بروکهاون و مدیر سابق MAP، می‌گوید MAP به سمت توسعه طراحی برخورددهنده میون کم‌انرژی حرکت کرد، اما جامعه به جای آن، برخورد دهنده الکترون-پوزیترون را دنبال کرد.

در حالی که یک برخورد دهنده میون کم انرژی، مانند آنچه توسط MAP پیش بینی شده است، می تواند بیش از 10000 بوزون هیگز در سال تولید کند، LHC می تواند میلیون ها بوزون تولید کند، البته در محیطی آشفته تر. اگر نشانه هایی وجود داشت که هیگز یک ذره مرکب است، برخورد دهنده میون روشی کارآمد برای مطالعه آن خواهد بود. اما پالمر می‌گوید: «در سال 2013 هیچ مدرکی در این مورد نداشتیم».

با توجه به اینکه LHC به تازگی فعالیت یک دهه‌ای خود را در سرن آغاز کرده است و شتاب‌دهنده ذرات Tevatron در سال 2011 در Fermilab تعطیل شد، فیزیکدانان آمریکایی برنامه محلی خود را به سمت تخصص در نوترینوها تغییر دادند. در گزارش P5 در سال 2014، کمیته توصیه کرد که مشارکت عمده در LHC و ساخت چیزی که اکنون آزمایش نوترینویی زیرزمینی عمیق نامیده می‌شود، ادامه یابد.

MAP رها شد. اما قبل از اینکه از بین برود، به سمت خنک کردن پرتو میون با فرآیندی به نام یونیزاسیون پیشرفت کرده بود. با تکیه بر این پیشرفت، آزمایش خنک‌کننده بین‌المللی یونیزاسیون میون یا MICE در آزمایشگاه رادرفورد اپلتون در بریتانیا نشان داده شده اولین باری که این فرآیند کار می کند.

چشم اندازی برای فرمیلب

کوین پدرو، دانشمند وابسته در Fermilab، به دنبال مدل‌های فرضی ماده تاریک است که از ذرات مرکب تشکیل شده است. تاکنون چنین ذرات در LHC ظاهر نشده اند.

این احتمال وجود دارد که مدل‌ها نادرست باشند، اما این احتمال نیز وجود دارد که ذراتی که جهان تاریک را به جهان ما متصل می‌کنند، بسیار سنگین بوده و حتی از توان قوی‌ترین شتاب‌دهنده کنونی جهان خارج است. پدرو امیدوار است که برخورد دهنده میون بتواند این محدوده را گسترش دهد. پدرو می گوید: «برای من ارزش امتحان کردن را دارد، حتی اگر موانعی وجود داشته باشد. “ما باید چیزی بزرگ را امتحان کنیم.”

یک مزیت اضافی برای محل کار پدرو: از آنجایی که میون ها به نوترینو تجزیه می شوند، توسعه برخورد دهنده میون می تواند تحقیقات نوترینو را بیشتر کند. بووز می گوید که ساخت یک برخورددهنده میون در Fermilab یک ازدواج تقریباً عالی بین گذشته آزمایشگاه به عنوان یک رهبر در مرزهای انرژی – از طریق Tevatron – و حال آن به عنوان یک رهبر نوترینو – از طریق آزمایش هایی مانند DUNE خواهد بود. “اگر همه چیز درست شود، این واقعا می تواند یک آینده بلند مدت برای Fermilab باشد.”

با این حال، و در حالی که پشتیبانی از گزارش P5 دلگرم کننده است، جامعه فیزیک باید تحقیقات قابل توجهی را برای اطلاع از مسیر استقرار، طراحی و ساخت یک برخورد دهنده میون انجام دهد.

نتیجه MICE امیدوارکننده بود، اما فیزیکدانان هنوز باید خنک شدن را در مقیاس بزرگتر نشان دهند. آنها نیاز به توسعه آهنرباهایی دارند که بتوانند خیلی سریعتر از آنچه فناوری فعلی اجازه می دهد شروع به کار کنند. و آنها باید راهی بیابند تا به سرعت از انرژی عظیمی که برخورد دهنده تولید می کند بدون گرم شدن بیش از حد هیچ یک از عناصرش استفاده کنند.

پالمر می گوید که تیم Muon Collider باید تا پایان دهه در این زمینه ها موفقیت نشان دهد. اگر آنها می توانستند این کار را انجام دهند، می توانستند یک تظاهرات در مقیاس بزرگ را در سال های اولیه دهه آینده تکمیل کنند. و اگر می توانستند انجام دهند کهآنها می توانند یک برخورد دهنده میون در دهه 2040 یا 2050 بسازند.

این اگرهای زیادی است. اما پالمر خوشبین است. او می گوید که این تیم هنوز با تظاهرکنندگان روبرو نشده است. ممکن است هنوز چیزی را پیدا کنیم که نمی‌دانیم چگونه بر آن غلبه کنیم، اما هنوز آن را پیدا نکرده‌ایم.»