Teilchenbeschleuniger zur Erforschung des „sehr frühen Universums“: Myonenbeschleuniger demonstriert

Teilchenbeschleuniger werden als Forschungsinstrumente für die Erforschung des sehr frühen Universums eingesetzt. Hadronencollider (insbesondere der Large Hadron Collider (LHC) des CERN) und Elektron-Positron-Collider stehen bei der Erforschung des sehr frühen Universums an vorderster Front. Die ATLAS- und CMS-Experimente am Large Hadron Collider (LHC) waren 2012 bei der Entdeckung des Higgs-Bosons erfolgreich. Myonencollider könnten bei solchen Studien von erheblichem Nutzen sein, sind jedoch noch nicht Realität. Forschern ist es nun gelungen, ein positives Myon auf etwa 4 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dies ist die weltweit erste Abkühlung und Beschleunigung eines Myons. Als Proof-of-Concept-Demonstration ebnet dies den Weg für die Realisierung des ersten Myonenbeschleunigers in naher Zukunft.  

Das frühe Universum wird derzeit vom James Webb Space Telescope (JWST) untersucht. Das JWST ist ausschließlich der Erforschung des frühen Universums gewidmet und empfängt optische/infrarote Signale von den frühen Sternen und Galaxien, die nach dem Urknall im Universum entstanden sind. Vor kurzem konnte das JWST erfolgreich die am weitesten entfernte Galaxie JADES-GS-z14-0 entdecken, die etwa 290 Millionen Jahre nach dem Urknall im frühen Universum entstand.  

Es gibt drei Phasen des Universums – das Strahlungs-Zeitalter, das Materie-Zeitalter und das aktuelle Zeitalter der Dunklen Energie. Vom Urknall bis vor etwa 50,000 Jahren war das Universum von Strahlung dominiert. Darauf folgte das Materie-Zeitalter. Die galaktische Epoche des Materie-Zeitalters, die von etwa 200 Millionen Jahren nach dem Urknall bis etwa 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall dauerte, war durch die Bildung großer Strukturen wie Galaxien gekennzeichnet. Dieses Zeitalter wird üblicherweise als „frühes Universum“ bezeichnet, das das JWST untersucht.  

„Sehr frühes Universum“ bezieht sich auf die früheste Phase des Universums kurz nach dem Urknall, als es extrem heiß war und vollständig von der Strahlung dominiert wurde. Die Plank-Epoche ist die erste Epoche der Strahlungsära, die vom Urknall bis 10 Jahre dauerte.^-43 s. Bei einer Temperatur von 10³² K, das Universum war in dieser Epoche superheiß. Auf die Planck-Epoche folgten die Quark-, Lepton- und Kernepoche; alle waren kurzlebig, aber durch extrem hohe Temperaturen gekennzeichnet, die mit der Ausdehnung des Universums allmählich sanken.  

Eine direkte Untersuchung dieser frühesten Phase des Universums ist nicht möglich. Was man tun kann, ist, die Bedingungen der ersten drei Minuten des Universums nach dem Urknall in Teilchenbeschleunigern nachzubilden. Die durch Kollisionen der Teilchen in Beschleunigern/Collidern erzeugten Daten bieten ein indirektes Fenster zum sehr frühen Universum.  

Kollider sind sehr wichtige Forschungsinstrumente in der Teilchenphysik. Dabei handelt es sich um kreisförmige oder lineare Maschinen, die Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und sie mit einem anderen Teilchen aus der entgegengesetzten Richtung oder mit einem Ziel kollidieren lassen. Die Kollisionen erzeugen extrem hohe Temperaturen in der Größenordnung von Billionen Kelvin (ähnlich den Bedingungen, die in den frühesten Epochen des Strahlungszeitalters herrschten). Die Energien kollidierender Teilchen addieren sich, daher ist die Kollisionsenergie höher, die in Materie in Form von massiven Teilchen umgewandelt wird, die im sehr frühen Universum gemäß der Masse-Energie-Symmetrie existierten. Solche Wechselwirkungen zwischen Teilchen mit hoher Energie unter den Bedingungen, die im sehr frühen Universum herrschten, öffnen Fenster in die sonst unzugängliche Welt dieser Zeit, und die Analyse der Nebenprodukte von Kollisionen bietet eine Möglichkeit, die herrschenden Gesetze der Physik zu verstehen.  

Das vielleicht berühmteste Beispiel für einen Kollider ist der Large Hadron Collider (LHC) des CERN, also ein großer Kollider, in dem Hadronen (zusammengesetzte Teilchen, die nur aus Quarks bestehen, wie Protonen und Neutronen) kollidieren. Es ist der größte und leistungsstärkste Kollider der Welt, der Kollisionen mit einer Energie von 13 TeV (Teraelektronenvolt) erzeugt, der höchsten Energie, die ein Beschleuniger erreichen kann. Die Untersuchung der Nebenprodukte der Kollisionen war bisher sehr bereichernd. Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 durch die ATLAS- und CMS-Experimente am Large Hadron Collider (LHC) ist ein Meilenstein der Wissenschaft.  

Der Untersuchungsmaßstab für die Wechselwirkung von Teilchen wird durch die Energie des Beschleunigers bestimmt. Für die Erforschung immer kleinerer Maßstäbe sind Beschleuniger mit immer höherer Energie erforderlich. Daher besteht immer die Suche nach Beschleunigern mit höherer Energie als derzeit für die vollständige Erforschung des Standardmodells der Teilchenphysik und die Untersuchung kleinerer Maßstäbe verfügbar sind. Daher sind derzeit mehrere neue Beschleuniger mit höherer Energie in Planung.  

CERNs High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC), der voraussichtlich 2029 betriebsbereit sein wird, soll die Leistung des LHC durch Erhöhung der Anzahl von Kollisionen steigern, um so ein detaillierteres Studium bekannter Mechanismen zu ermöglichen. Der Future Circular Collider (FCC) hingegen ist CERNs äußerst ehrgeiziges Projekt für einen leistungsstärkeren Teilchenbeschleuniger mit einem Umfang von etwa 100 km und einer Lage 200 Meter unter der Erde, der die Nachfolge des Large Hadron Collider (LHC) antreten soll. Sein Bau wird voraussichtlich in den 2030er Jahren beginnen und in zwei Phasen umgesetzt werden: FCC-ee (Präzisionsmessungen) wird Mitte der 2040er Jahre betriebsbereit sein, während FCC-hh (Hochenergie) in den 2070er Jahren seinen Betrieb aufnimmt. Der FCC soll die Existenz neuer, schwererer Teilchen außerhalb der Reichweite des LHC sowie leichterer Teilchen erforschen, die sehr schwach mit Teilchen des Standardmodells interagieren.  

Eine Gruppe von Teilchen, die in einem Kollider kollidieren, sind Hadronen wie Protonen und Atomkerne, zusammengesetzte Teilchen aus Quarks. Diese sind schwer und ermöglichen es Forschern, hohe Energien zu erreichen, wie im Fall des LHC. Eine andere Gruppe sind Leptonen wie Elektronen und Positronen. Diese Teilchen können auch kollidieren, wie im Fall des Large Electron-Positron Collider (LEPC) und des SuperKEKB-Colliders. Ein großes Problem des auf Elektronen und Positronen basierenden Leptonencolliders ist der große Energieverlust durch Synchrotronstrahlung, wenn die Teilchen in eine Kreisbahn gezwungen werden, was durch den Einsatz von Myonen überwunden werden kann. Wie Elektronen sind Myonen Elementarteilchen, aber 200-mal schwerer als Elektronen, weshalb der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung viel geringer ist.  

Im Gegensatz zu Hadronencollidern kann ein Myonencollider mit weniger Energie betrieben werden, wodurch ein 10 TeV Myonencollider einem 100 TeV Hadronencollider ebenbürtig ist. Daher könnten Myonencollider nach dem High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) für Experimente in der Hochenergiephysik im Vergleich zu FCC-ee relevanter werden, oder CLIC (Compact Linear Collider) oder ILC (International Linear Collider). Angesichts der langen Entwicklungszeiten künftiger Hochenergie-Collider könnten Myon-Collider in den nächsten drei Jahrzehnten das einzige potentielle Forschungsinstrument in der Teilchenphysik sein. Myonen können für die ultrapräzise Messung des anomalen magnetischen Moments (g-2) und des elektrischen Dipolmoments (EDM) zur Erforschung jenseits des Standardmodells nützlich sein. Die Myon-Technologie findet auch Anwendung in mehreren interdisziplinären Forschungsbereichen.  

Allerdings gibt es technische Herausforderungen bei der Realisierung von Myonencollidern. Im Gegensatz zu Hadronen und Elektronen, die nicht zerfallen, haben Myonen eine kurze Lebensdauer von nur 2.2 Mikrosekunden, bevor sie in Elektronen und Neutrinos zerfallen. Die Lebensdauer von Myonen nimmt jedoch mit zunehmender Energie zu, was bedeutet, dass ihr Zerfall durch schnelle Beschleunigung hinausgezögert werden kann. Die Beschleunigung von Myonen ist jedoch technisch schwierig, da sie nicht die gleiche Richtung oder Geschwindigkeit haben.  

Kürzlich ist es den Forschern am Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) gelungen, die Herausforderungen der Myonentechnologie zu meistern. Zum ersten Mal weltweit gelang es ihnen, ein positives Myon auf etwa 4 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dies war die erste Demonstration der Kühlung und Beschleunigung eines positiven Myons nach Jahren der kontinuierlichen Entwicklung von Kühl- und Beschleunigungstechnologien.  

Der Protonenbeschleuniger am J-PARC erzeugt etwa 100 Millionen Myonen pro Sekunde. Dies geschieht, indem Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und auf Graphit treffen, wo sie Pionen bilden. Myonen entstehen als Zerfallsprodukte von Pionen.  

Das Forschungsteam produzierte positive Myonen mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 % der Lichtgeschwindigkeit und schoss sie in Kieselsäure-Aerogel. Dadurch konnten sich die Myonen mit den Elektronen im Kieselsäure-Aerogel verbinden, wodurch Myonium entstand (ein neutrales, atomähnliches Teilchen oder Pseudoatom, das aus einem positiven Myon in der Mitte und einem Elektron um das positive Myon herum besteht). Anschließend wurden durch Laserbestrahlung Elektronen vom Myonium abgetrennt, wodurch positive Myonen entstanden, die auf etwa 0.002 % der Lichtgeschwindigkeit abgekühlt waren. Danach wurden die abgekühlten positiven Myonen mithilfe eines hochfrequenten elektrischen Felds beschleunigt. Die so erzeugten beschleunigten positiven Myonen waren gerichtet, da sie bei nahezu Null begannen und sich zu einem stark gerichteten Myonenstrahl entwickelten, der allmählich auf etwa 4 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurde. Dies ist ein Meilenstein in der Myonenbeschleunigungstechnologie.  

Das Forschungsteam plant, positive Myonen schließlich auf 94 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. 

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Literaturverzeichnis:  

1. University of Oregon. Das frühe Universum – Gegen den Beginn der Zeit. Verfügbar unter https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN. Beschleunigte Wissenschaft – Myon Collider. Verfügbar unter https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. J-PARC. Pressemitteilung – Weltweit erste Kühlung und Beschleunigung von Myonen. Veröffentlicht am 23. Mai 2024. Verfügbar unter https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S. et al., 2024. Beschleunigung positiver Myonen durch eine Radiofrequenzkavität. Preprint bei arXiv. Eingereicht am 15. Oktober 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

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