Ядерная физика высоких энергий
| Ядерная физика |
|---|
 |
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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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, в несколько раз превышающей нормальную ядерную плотность. 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
[ редактировать ]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 многих 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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
более чем в 100 000 раз больше, чем в центре Солнца . Это соответствует плотности энергии
- .
релятивистской материи Соответствующее давление равно
Дополнительная информация
[ редактировать ]- Домашняя страница ядерной физики Университета Рутгерса
- Публикации - Ядерная физика высоких энергий (HENP)
- https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «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.
- ^ Jump up to: 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.