"بہت ابتدائی کائنات" کے مطالعہ کے لیے ذرہ ٹکرانے والے: Muon collider کا مظاہرہ

پارٹیکل ایکسلریٹر کو بہت ابتدائی کائنات کے مطالعہ کے لیے تحقیقی ٹولز کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ Hadron colliders (خاص طور پر CERN کے Large Hadron Collider LHC) اور الیکٹران-پوزیٹران ٹکرانے والے بہت ابتدائی کائنات کی تلاش میں سب سے آگے ہیں۔ لارج ہیڈرون کولائیڈر (LHC) میں ATLAS اور CMS کے تجربات 2012 میں ہگز بوسن کو دریافت کرنے میں کامیاب رہے تھے۔ Muon collider اس طرح کے مطالعے میں کافی استعمال ہو سکتا ہے تاہم یہ ابھی تک حقیقت نہیں ہے۔ محققین اب ایک مثبت میوون کو روشنی کی رفتار کے تقریباً 4 فیصد تک تیز کرنے میں کامیاب ہو گئے ہیں۔ یہ موون کی دنیا کی پہلی ٹھنڈک اور سرعت ہے۔ تصور کے ثبوت کے طور پر، یہ مستقبل قریب میں پہلے muon ایکسلریٹر کے حصول کی راہ ہموار کرتا ہے۔  

ابتدائی کائنات کا فی الحال جیمز ویب اسپیس ٹیلی سکوپ (JWST) کے ذریعے مطالعہ کیا جا رہا ہے۔ ابتدائی کائنات کے مطالعہ کے لیے خصوصی طور پر وقف، JWST بِگ بینگ کے بعد کائنات میں بننے والے ابتدائی ستاروں اور کہکشاؤں سے آپٹیکل/انفراریڈ سگنلز اٹھا کر ایسا کرتا ہے۔ حال ہی میں، JWST نے کامیابی سے سب سے دور کی کہکشاں JADES-GS-z14-0 کو دریافت کیا جو بگ بینگ کے تقریباً 290 ملین سال بعد ابتدائی کائنات میں بنی تھی۔  

کائنات کے تین مراحل ہیں - تابکاری کا دور، مادے کا دور اور موجودہ تاریک توانائی کا دور۔ بگ بینگ سے لے کر تقریباً 50,000 سال تک کائنات پر تابکاری کا غلبہ رہا۔ اس کے بعد معاملہ کا دور آیا۔ مادے کے دور کا کہکشاں عہد جو بگ بینگ کے بعد تقریباً 200 ملین سال سے لے کر بگ بینگ کے بعد تقریباً 3 بلین سال تک جاری رہا، کہکشاں جیسے بڑے ڈھانچے کی تشکیل کی خصوصیت تھی۔ اس دور کو عام طور پر "ابتدائی کائنات" کہا جاتا ہے جس کا JWST مطالعہ کرتا ہے۔  

"بہت ابتدائی کائنات" سے مراد بگ بینگ کے فوراً بعد کائنات کا ابتدائی مرحلہ ہے جب یہ انتہائی گرم تھی اور مکمل طور پر تابکاری کا غلبہ تھا۔ پلانک عہد تابکاری کے دور کا پہلا عہد ہے جو بگ بینگ سے لے کر 10 تک جاری رہا۔^43- s 10 کے درجہ حرارت کے ساتھ³² K، کائنات اس دور میں انتہائی گرم تھی۔ پلانک عہد کے بعد کوارک، لیپٹن اور نیوکلیئر عہد کا آغاز ہوا۔ سب قلیل المدت تھے لیکن انتہائی بلند درجہ حرارت کی خصوصیت تھی جو کائنات کے پھیلنے کے ساتھ ساتھ آہستہ آہستہ کم ہوتی گئی۔  

کائنات کے اس ابتدائی مرحلے کا براہ راست مطالعہ ممکن نہیں ہے۔ بِگ بینگ کے بعد کائنات کے پہلے تین منٹ کے حالات کو پارٹیکل ایکسلریٹر میں دوبارہ تخلیق کرنا ہے۔ ایکسلریٹر/ٹکرانے والوں میں ذرات کے تصادم سے پیدا ہونے والا ڈیٹا بہت ابتدائی کائنات کے لیے بالواسطہ ونڈو پیش کرتا ہے۔  

کولائیڈرز پارٹیکل فزکس میں بہت اہم ریسرچ ٹولز ہیں۔ یہ سرکلر یا لکیری مشینیں ہیں جو روشنی کی رفتار کے قریب ذرات کو بہت تیز رفتار سے تیز کرتی ہیں اور انہیں مخالف سمت سے آنے والے کسی دوسرے ذرے سے یا ہدف کے خلاف ٹکرانے کی اجازت دیتی ہیں۔ تصادم کھربوں کیلون کی ترتیب میں انتہائی اعلی درجہ حرارت پیدا کرتے ہیں (ریڈیٹیئن دور کے ابتدائی دور میں موجود حالات کی طرح)۔ ٹکرانے والے ذرات کی توانائیاں شامل ہوتی ہیں اس لیے تصادم کی توانائی زیادہ ہوتی ہے جو بڑے پیمانے پر ذرات کی شکل میں مادے میں تبدیل ہوتی ہے جو بڑے پیمانے پر توانائی کی ہم آہنگی کے مطابق بہت ابتدائی کائنات میں موجود تھے۔ ابتدائی کائنات میں موجود حالات میں اعلی توانائی کے ذرات کے درمیان اس طرح کے تعاملات اس وقت کی دوسری صورت میں ناقابل رسائی دنیا کو ونڈوز فراہم کرتے ہیں اور تصادم کے ضمنی مصنوعات کا تجزیہ طبیعیات کے حکمرانی قوانین کو سمجھنے کا ایک طریقہ پیش کرتا ہے۔  

شاید، ٹکرانے والوں کی سب سے مشہور مثال CERN کے Large Hadron Collider (LHC) یعنی بڑے سائز کے ٹکرانے والے ہیں جہاں ہیڈرون (صرف کوارک سے بنے جامع ذرات جیسے پروٹون اور نیوٹران) آپس میں ٹکراتے ہیں۔ یہ دنیا کا سب سے بڑا اور سب سے طاقتور ٹکرانے والا ہے جو 13 TeV (teraelectronvolts) کی توانائی سے ٹکراؤ پیدا کرتا ہے جو کہ ایک ایکسلریٹر کے ذریعے حاصل کی جانے والی سب سے زیادہ توانائی ہے۔ تصادم کے ضمنی مصنوعات کا مطالعہ اب تک بہت افزودہ رہا ہے۔ لارج ہیڈرون کولائیڈر (LHC) میں ATLAS اور CMS تجربات کے ذریعے 2012 میں Higgs Boson کی دریافت سائنس میں ایک سنگ میل ہے۔  

ذرہ کے تعامل کے مطالعہ کا پیمانہ ایکسلریٹر کی توانائی سے طے ہوتا ہے۔ چھوٹے اور چھوٹے پیمانے پر دریافت کرنے کے لیے، کسی کو زیادہ اور زیادہ توانائی کے ایکسلریٹر کی ضرورت ہوتی ہے۔ لہٰذا، پارٹیکل فزکس کے معیاری ماڈل کی مکمل کھوج اور چھوٹے پیمانے پر تحقیقات کے لیے فی الحال دستیاب سے زیادہ توانائی کے سرعت کاروں کی تلاش ہمیشہ رہتی ہے۔ لہذا، بہت سے نئے اعلی توانائی کے ایکسلریٹر فی الحال پائپ لائن میں ہیں۔  

CERN کا ہائی-لومینوسیٹی لارج ہیڈرون کولائیڈر (HL – LHC)، جو ممکنہ طور پر 2029 تک فعال ہو جائے گا، کو تصادم کی تعداد میں اضافہ کر کے LHC کی کارکردگی کو بڑھانے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے تاکہ معلوم میکانزم کا زیادہ تفصیل سے مطالعہ کیا جا سکے۔ دوسری طرف، فیوچر سرکلر کولائیڈر (FCC) CERN کا انتہائی مہتواکانکشی اعلی کارکردگی والے پارٹیکل کولائیڈرز پراجیکٹ ہے جو زمین سے 100 میٹر نیچے فریم میں تقریباً 200 کلومیٹر ہوگا اور لارج ہیڈرون کولائیڈر (LHC) سے آگے بڑھے گا۔ اس کی تعمیر 2030 کی دہائی میں شروع ہونے کا امکان ہے اور اسے دو مراحل میں لاگو کیا جائے گا: FCC-ee (صحت سے متعلق پیمائش) 2040 کی دہائی کے وسط تک کام کرے گا جبکہ FCC-hh (اعلی توانائی) 2070 کی دہائی میں کام شروع کرے گا۔ FCC کو LHC کی پہنچ سے باہر، نئے، بھاری ذرات کے وجود اور ہلکے ذرات کے وجود کو دریافت کرنا چاہیے جو معیاری ماڈل کے ذرات کے ساتھ بہت کمزور طریقے سے تعامل کرتے ہیں۔  

اس طرح، ذرات کا ایک گروپ جو ٹکرانے والے میں آپس میں ٹکراتے ہیں وہ ہیڈرونز ہیں جیسے پروٹون اور نیوکلی جو کوارک سے بنے جامع ذرات ہیں۔ یہ بھاری ہیں اور محققین کو اعلی توانائی تک پہنچنے کی اجازت دیتے ہیں جیسا کہ LHC کے معاملے میں ہوتا ہے۔ دوسرا گروپ لیپٹون کا ہے جیسے الیکٹران اور پوزیٹرون۔ یہ ذرات بھی آپس میں ٹکرا سکتے ہیں جیسا کہ Large Electron-Positron Collider (LEPC) اور SuperKEKB collider کے معاملے میں ہوتا ہے۔ الیکٹران-پوزیٹرون پر مبنی لیپٹن کولائیڈر کے ساتھ ایک بڑا مسئلہ سنکروٹرون تابکاری کی وجہ سے توانائی کا بڑا نقصان ہے جب ذرات کو سرکلر مدار میں مجبور کیا جاتا ہے جس پر muons کے استعمال سے قابو پایا جا سکتا ہے۔ الیکٹرانوں کی طرح، میونز بھی ابتدائی ذرہ ہیں لیکن الیکٹرانوں سے 200 گنا زیادہ بھاری ہوتے ہیں اس لیے سنکروٹون تابکاری کی وجہ سے توانائی کا بہت کم نقصان ہوتا ہے۔  

ہیڈرون کولائیڈرز کے برعکس، ایک میوون کولائیڈر کم توانائی کا استعمال کر کے چل سکتا ہے جو 10 ٹی وی میون کولائیڈر کو 100 ٹی وی ہیڈرون کولائیڈر کے برابر بناتا ہے۔ لہٰذا، میون ٹکرانے والے ہائی لائومینیسٹی لارج ہیڈرون کولائیڈر (HL – LHC) کے بعد اعلی توانائی کے طبیعیات کے تجربات کے لیے FCC-ee کے مقابلے میں زیادہ متعلقہ بن سکتے ہیں، یا کلیک (کومپیکٹ لکیری کولائیڈر) یا آئی ایل سی (بین الاقوامی لکیری کولائیڈر)۔ اعلی توانائی کے مستقبل کے ٹکراؤ کی طویل ٹائم لائنز کو دیکھتے ہوئے، muon colliders آئندہ تین دہائیوں کے لیے پارٹیکل فزکس میں صرف ممکنہ تحقیقی آلہ ہو سکتا ہے۔ Muons معیاری ماڈل سے باہر کی تلاش کی طرف غیر معمولی مقناطیسی لمحے (g-2) اور الیکٹرک ڈوپول مومنٹ (EDM) کی انتہائی درست پیمائش کے لیے مفید ہو سکتا ہے۔ muon ٹیکنالوجی کے کئی بین الضابطہ تحقیقی شعبوں میں بھی درخواستیں ہیں۔  

تاہم، muon colliders کو سمجھنے میں تکنیکی چیلنجز موجود ہیں۔ ہیڈرونز اور الیکٹرانز کے برعکس جو زوال پذیر نہیں ہوتے، میونز کی زندگی الیکٹران اور نیوٹرینو میں زوال سے پہلے صرف 2.2 مائیکرو سیکنڈز ہوتی ہے۔ لیکن میوون کی زندگی میں توانائی کے ساتھ اضافہ ہوتا ہے جس کا مطلب ہے کہ اس کے زوال کو اگر تیزی سے تیز کیا جائے تو ملتوی کیا جا سکتا ہے۔ لیکن muons کو تیز کرنا تکنیکی طور پر مشکل ہے کیونکہ ان کی سمت یا رفتار ایک جیسی نہیں ہے۔  

حال ہی میں، جاپان پروٹون ایکسلریٹر ریسرچ کمپلیکس (J-PARC) کے محققین نے muon ٹیکنالوجی کے چیلنجوں پر قابو پانے میں کامیابی حاصل کی ہے۔ وہ دنیا میں پہلی بار ایک مثبت muon کو روشنی کی رفتار کے تقریباً 4% تک تیز کرنے میں کامیاب ہوئے۔ کولنگ اور ایکسلریشن ٹیکنالوجیز کی برسوں کی مسلسل ترقی کے بعد مثبت میوون کی ٹھنڈک اور سرعت کا یہ پہلا مظاہرہ تھا۔  

J-PARC میں پروٹون ایکسلریٹر تقریباً 100 ملین muons فی سیکنڈ پیدا کرتا ہے۔ یہ روشنی کی رفتار کے قریب پروٹون کو تیز کرکے اور اسے گریفائٹ سے ٹکرانے کی اجازت دے کر کیا جاتا ہے تاکہ پیون بن سکے۔ Muons pions کے زوال کی پیداوار کے طور پر بنتے ہیں۔  

تحقیقی ٹیم نے روشنی کی رفتار سے تقریباً 30 فیصد کی رفتار کے حامل مثبت muons تیار کیے اور انہیں سلیکا ایروجیل میں گولی مار دی۔ سیلیکا ایرجیل میں الیکٹرانوں کے ساتھ ملنے کی اجازت دی گئی میونز کے نتیجے میں میوونیم کی تشکیل ہوتی ہے (ایک غیر جانبدار، ایٹم نما ذرہ یا سیوڈو ایٹم جس میں مرکز میں ایک مثبت میوون ہوتا ہے اور مثبت میوون کے ارد گرد ایک الیکٹران ہوتا ہے)۔ اس کے بعد، الیکٹرانوں کو لیزر کے ذریعے شعاع ریزی کے ذریعے میوونیم سے چھین لیا گیا جس نے مثبت میونز کو روشنی کی رفتار کے تقریباً 0.002 فیصد تک ٹھنڈا کیا۔ اس کے بعد، ریڈیو فریکوئینسی الیکٹرک فیلڈ کا استعمال کرتے ہوئے ٹھنڈے مثبت میونز کو تیز کیا گیا۔ اس طرح بنائے گئے تیز رفتار مثبت میوون دشاتمک تھے کیونکہ وہ صفر کے قریب سے انتہائی دشاتمک میوون بیم بننے لگے تھے جیسا کہ آہستہ آہستہ روشنی کی رفتار کے تقریباً 4 فیصد تک پہنچ کر تیز ہو گئے تھے۔ یہ muon ایکسلریشن ٹیکنالوجی میں ایک سنگ میل ہے۔  

تحقیقاتی ٹیم کا ارادہ ہے کہ آخر کار مثبت میونز کو روشنی کی رفتار کے 94 فیصد تک تیز کر دیا جائے۔ 

*** 

حوالہ جات:  

1. یونیورسٹی آف اوریگون۔ ابتدائی کائنات - ٹم کے آغاز کی طرف۔ پر دستیاب ہے۔ https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html 

2. CERN تیز رفتار سائنس - Muon collider. پر دستیاب ہے۔ https://home.cern/science/accelerators/muon-collider 

3. جے پی اے آر سی۔ پریس ریلیز – دنیا کی پہلی ٹھنڈک اور موون کی سرعت۔ 23 مئی 2024 کو پوسٹ کیا گیا۔ پر دستیاب ہے۔ https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html  

4. Aritome S., et al., 2024. ایک ریڈیو فریکوئنسی گہا کے ذریعے مثبت muons کی سرعت۔ arXiv پر پرنٹ کریں۔ 15 اکتوبر 2024 کو جمع کرایا گیا۔ DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367  

*** 

متعلقہ مضامین  

بنیادی ذرات ایک فوری نظر۔ مشاہدہ کی گئی بلند ترین توانائیوں پر "ٹاپ کوارکس" کے درمیان کوانٹم الجھنا  (22 ستمبر 2024)۔  

***