Ядерная физика высоких энергий

Ядерная физика высоких энергий изучает поведение ядерной материи в энергетических режимах, типичных для физики высоких энергий . Основное внимание в этой области уделяется изучению столкновений тяжелых ионов по сравнению с более легкими атомами в других ускорителях частиц . Предполагается, что при достаточных энергиях столкновений эти типы столкновений приводят к образованию кварк-глюонной плазмы . В периферийных ядерных столкновениях при высоких энергиях можно ожидать получения информации об электромагнитном рождении лептонов и мезонов, которые недоступны в электрон-позитронных коллайдерах из-за их гораздо меньшей светимости. ^[1]^[2]^[3]

высоких энергий Предыдущие эксперименты на ядерных ускорителях изучали столкновения тяжелых ионов с использованием энергии снаряда от 1 ГэВ/нуклон в ОИЯИ и LBNL-Bevalac до 158 ГэВ/нуклон в CERN-SPS . Эксперименты этого типа, называемые экспериментами с «фиксированной целью», в первую очередь ускоряют «пучок» ионов (обычно около 10 ⁶ до 10 ⁸ ионов на сгусток) до скоростей, приближающихся к скорости света (0,999 с ), и разбить их в мишень из таких же тяжелых ионов. Хотя все системы столкновений интересны, в конце 1990-х годов большое внимание уделялось симметричным системам столкновений золотых лучей с золотыми мишенями в национальной лаборатории (AGS) Брукхейвенской синхротроне переменного градиента и урановыми пучками с урановыми мишенями в ЦЕРН суперпротонном синхротроне . .

Эксперименты по ядерной физике высоких энергий продолжаются на (RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории и релятивистском коллайдере тяжелых ионов на ЦЕРН Большом адронном коллайдере . В RHIC программа началась с четырех экспериментов — PHENIX, STAR, PHOBOS и BRAHMS — все они были посвящены изучению столкновений высокорелятивистских ядер. В отличие от экспериментов с фиксированной мишенью, эксперименты на коллайдере направляют два ускоренных пучка ионов друг к другу в (в случае RHIC) шести областях взаимодействия. На RHIC ионы можно ускорять (в зависимости от размера иона) от 100 ГэВ/нуклон до 250 ГэВ/нуклон. Поскольку каждый сталкивающийся ион обладает этой энергией, движущейся в противоположных направлениях, максимальная энергия столкновений может достигать энергии столкновения центра масс 200 ГэВ/нуклон для золота и 500 ГэВ/нуклон для протонов.

Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) на БАК в ЦЕРН специализируется на изучении столкновений ядер Pb- Pb при энергии центра масс 2,76 ТэВ на пару нуклонов. Все основные детекторы LHC — ALICE, ATLAS , CMS и LHCb — участвуют в программе тяжелых ионов. ^[4]

История

Исследование горячей адронной материи и многочастичного рождения имеет долгую историю, начатую теоретическими работами по многочастичному образованию Энрико Ферми в США и Львом Ландау в СССР. Эти усилия проложили путь к разработке в начале 1960-х годов термического описания многочастичного образования и статистической бутстрап- модели Рольфом Хагедорном . Эти разработки привели к поиску и открытию кварк-глюонной плазмы . Начало образования этой новой формы материи все еще находится под активным расследованием.

Первые столкновения

Первые столкновения тяжелых ионов в умеренно релятивистских условиях были предприняты в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL, ранее LBL) в Беркли , Калифорния, США, и в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Московская область, СССР. На ЛБЛ была построена транспортная линия для доставки тяжелых ионов от ускорителя тяжелых ионов HILAC к Беватрону . Достигнутый первоначально энергетический масштаб на уровне 1–2 ГэВ на нуклон дает сжатую ядерную материю с плотностью ядра, в несколько раз превышающей нормальную. Демонстрация возможности изучения свойств сжатой и возбужденной ядерной материи стимулировала исследовательские программы при гораздо более высоких энергиях на ускорителях, доступных в BNL и CERN, с релятивистскими пучками, нацеленными на неподвижные лабораторные цели. Первые эксперименты на коллайдере начались в 1999 году на RHIC, а LHC начал сталкивать тяжелые ионы с энергией на порядок выше в 2010 году.

Операция ЦЕРН

Коллайдер LHC в ЦЕРН работает один месяц в году в режиме ядерных столкновений, при этом ядра Pb сталкиваются при энергии 2,76 ТэВ на пару нуклонов, что примерно в 1500 раз превышает энергетический эквивалент массы покоя. В общей сложности 1250 валентных кварков сталкиваются, образуя горячий кварк-глюонный суп. Тяжелые атомные ядра, лишенные своего электронного облака, называются тяжелыми ионами, и о (ультра)релятивистских тяжелых ионах говорят, когда кинетическая энергия значительно превышает энергию покоя , как это имеет место на БАКе. Результатом таких столкновений является образование очень большого количества сильно взаимодействующих частиц .

В августе 2012 года ученые ALICE объявили, что в результате их экспериментов была получена кварк-глюонная плазма с температурой около 5,5 триллионов Кельвинов , что является самой высокой температурой, достигнутой в любых физических экспериментах на данный момент. ^[5] Эта температура примерно на 38% выше предыдущего рекорда около 4 триллионов кельвинов, достигнутого в экспериментах 2010 года в Брукхейвенской национальной лаборатории . ^[5] Результаты ALICE были объявлены 13 августа на конференции Quark Matter 2012 в Вашингтоне, округ Колумбия. Кварк-глюонная плазма, полученная в результате этих экспериментов, аппроксимирует условия во Вселенной, существовавшие через микросекунды после Большого взрыва , до того, как материя объединилась в атомы . ^[6]

Цели

Эта международная исследовательская программа преследует несколько научных целей:

Формирование и исследование нового состояния материи, состоящей из кварков и глюонов, кварк-глюонной плазмы КГП, которая преобладала в ранней Вселенной в первые 30 микросекунд .
Исследование удержания цвета и преобразование состояния вакуума, удерживающего цвет = удерживающего кварки, в возбужденное состояние физики называют пертурбативным вакуумом, в котором кварки и глюоны могут свободно перемещаться, что происходит при температуре Хагедорна ;
Считается, что изучение происхождения адронной ( протонной , нейтронной и т.д.) массы материи связано с явлением удержания кварков и структуры вакуума.

Экспериментальная программа

Эта экспериментальная программа является продолжением десятилетних исследований на коллайдере RHIC в BNL и почти двух десятилетий исследований с использованием фиксированных мишеней на SPS в CERN и AGS в BNL. Эта экспериментальная программа уже подтвердила, что могут быть достигнуты экстремальные состояния материи, необходимые для достижения фазы КГП. Типичный температурный диапазон, достигнутый в созданном QGP

T=300~{\text{MeV}}/k_{\text{B}}=3.3\times 10^{12}~{\text{K}}

более чем в 100 000 раз больше, чем в центре Солнца . Это соответствует плотности энергии

\epsilon =10~{\text{GeV/fm}}^{3}=1.8\times 10^{16}~{\text{g/cm}}^{3}

.

релятивистской материи Соответствующее давление равно

P\simeq {\frac {1}{3}}\epsilon =0.52\times 10^{31}~{\text{bar}}.

Дополнительная информация

Ссылки

^ «Домашняя страница ядерной физики Университета Рутгерса» . www.физика.rutgers.edu . Проверено 5 февраля 2019 г.
^ «Публикации – Ядерная физика высоких энергий (HENP)» . www.физика.purdue.edu . Архивировано из оригинала 29 июля 2012 года . Проверено 5 февраля 2019 г.
^ «Офис ядерной физики – перенаправление» . Архивировано из оригинала 12 декабря 2010 г. Проверено 18 августа 2009 г.
^ «Кварковая Материя 2018» . Индико . Проверено 29 апреля 2020 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Эрик Хэнд (13 августа 2012 г.). «Горячая штука: физики ЦЕРН создали рекордный субатомный суп» . Блог новостей природы . Проверено 5 января 2019 г.
^ Уилл Фергюсон (14 августа 2012 г.). «Первичная материя БАКа — самый горячий материал, когда-либо созданный» . Новый учёный . Проверено 15 августа 2012 г.

[1] «Домашняя страница ядерной физики Университета Рутгерса» . www.физика.rutgers.edu . Проверено 5 февраля 2019 г.

[2] «Публикации – Ядерная физика высоких энергий (HENP)» . www.физика.purdue.edu . Архивировано из оригинала 29 июля 2012 года . Проверено 5 февраля 2019 г.

[3] «Офис ядерной физики – перенаправление» . Архивировано из оригинала 12 декабря 2010 г. Проверено 18 августа 2009 г.

[4] «Кварковая Материя 2018» . Индико . Проверено 29 апреля 2020 г.

[NatureNews-5] Перейти обратно: ^а ^б Эрик Хэнд (13 августа 2012 г.). «Горячая штука: физики ЦЕРН создали рекордный субатомный суп» . Блог новостей природы . Проверено 5 января 2019 г.

[6] Уилл Фергюсон (14 августа 2012 г.). «Первичная материя БАКа — самый горячий материал, когда-либо созданный» . Новый учёный . Проверено 15 августа 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

v т и Основные разделы физики
Divisions	Pure Applied Engineering
Approaches	Experimental Theoretical Computational
Classical	Classical mechanics Newtonian Analytical Celestial Continuum Acoustics Classical electromagnetism Classical optics Ray Wave Thermodynamics Statistical Non-equilibrium
Modern	Relativistic mechanics Special General Nuclear physics Quantum mechanics Particle physics Atomic, molecular, and optical physics Atomic Molecular Modern optics Condensed matter physics
Interdisciplinary	Astrophysics Atmospheric physics Biophysics Chemical physics Geophysics Materials science Mathematical physics Medical physics Ocean physics Quantum information science
Related	History of physics Nobel Prize in Physics Philosophy of physics Physics education Timeline of physics discoveries