Релятивистский коллайдер тяжелых ионов ( RHIC / ˈ r ɪ k / ) является первым и одним из двух действующих коллайдеров тяжелых ионов , а также единственным когда-либо построенным коллайдером спин-поляризованных протонов . Расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) в Аптоне, штат Нью-Йорк , и используемый международной группой исследователей, он является единственным действующим коллайдером частиц в США. [1] [2] [3] Используя RHIC для столкновения ионов , движущихся с релятивистскими скоростями, физики изучают первичную форму материи, которая существовала во Вселенной вскоре после Большого взрыва . [4] [5] Сталкивая спин-поляризованные протоны, исследуется спиновая структура протона .
По состоянию на 2019 год RHIC является вторым по величине в мире коллайдером тяжелых ионов с энергией нуклонов для столкновений, достигающей 100 ГэВ для ионов золота и 250 ГэВ для протонов. [6] По состоянию на 7 ноября 2010 года Большой адронный коллайдер (LHC) столкнул тяжелые ионы свинца при более высоких энергиях, чем RHIC. [7] Время работы LHC для ионов (столкновения свинец-свинец и свинец-протон) ограничено примерно одним месяцем в году.
В 2010 году физики RHIC опубликовали результаты измерений температуры в более ранних экспериментах, которые пришли к выводу, что температуры, превышающие 345 МэВ (4 теракельвина или 7 триллионов градусов по Фаренгейту), были достигнуты в столкновениях ионов золота, и что эти температуры столкновения привели к распаду «обычной материи» и созданию жидкоподобной кварк-глюонной плазмы . [8]
В январе 2020 года Управление науки Министерства энергетики США выбрало проект eRHIC для будущего электрон-ионного коллайдера (EIC), который будет создан на базе существующего комплекса RHIC в BNL.
RHIC — это ускоритель частиц с пересекающимися накопительными кольцами . Два независимых кольца (условно обозначенные как «Синее» и «Желтое») циркулируют тяжелые ионы и/или поляризованные протоны в противоположных направлениях и позволяют практически свободно выбирать сталкивающиеся положительно заряженные частицы (модернизация eRHIC позволит сталкивать положительно и отрицательно заряженные частицы). Двойное накопительное кольцо RHIC имеет шестиугольную форму и окружность3834 м , с изогнутыми краями, в которых хранящиеся частицы отклоняются и фокусируются 1740 сверхпроводящими магнитами с использованием ниобий-титановых проводников. Дипольные магниты работают на3,45 Тл . [9] Шесть точек взаимодействия (между частицами, циркулирующими в двух кольцах) находятся в середине шести относительно прямых секций, где два кольца пересекаются, позволяя частицам сталкиваться. Точки взаимодействия пронумерованы по часовым стрелкам, с инжекцией около 6 часов. Два больших эксперимента, STAR и sPHENIX, расположены в 6 и 8 часах соответственно. Эксперимент sPHENIX является новейшим экспериментом, который будет построен на RHIC, заменив PHENIX в позиции 8 часов. [10]
Частица проходит через несколько стадий усилителей, прежде чем она достигнет накопительного кольца RHIC. Первая стадия для ионов — это источник ионов электронного пучка (EBIS), а для протонов — Используется линейный ускоритель на 200 МэВ (Linac). Например, ядра золота, покидающие EBIS, имеют кинетическую энергию2 МэВ на нуклон и имеют электрический заряд Q = +32 (32 из 79 электронов, оторванных от атома золота). Затем частицы ускоряются синхротроном Booster до100 МэВ на нуклон, что вводит снаряд теперь с Q = +77 в синхротрон с переменным градиентом (AGS), прежде чем он наконец достигнет8,86 ГэВ на нуклон и инжектируются в состоянии Q = +79 (электронов не осталось) в накопительное кольцо RHIC по линии передачи AGS-RHIC (AtR).
На сегодняшний день на RHIC исследуются следующие типы комбинаций частиц: p + p , p + Al , p + Au , d + Au , h + Au , Cu + Cu , Cu + Au , Zr + Zr , Ru + Ru , Au + Au и U + U . Снаряды обычно движутся со скоростью 99,995% от скорости света . Для столкновений Au + Au энергия центра масс обычно равна200 ГэВ на пару нуклонов и была столь же низкой, как7,7 ГэВ на пару нуклонов . Средняя светимость2 × 10 26 см −2 ⋅с −1 было запланировано во время планирования. Текущая средняя светимость Au + Au коллайдера достигла87 × 10 26 см −2 ⋅с −1 , что в 44 раза больше проектного значения. [11] Светимость тяжелых ионов существенно увеличивается за счет стохастического охлаждения . [12]
Одной из уникальных характеристик RHIC является его способность сталкивать поляризованные протоны. RHIC удерживает рекорд по наивысшей энергии поляризованных протонных пучков. Поляризованные протоны инжектируются в RHIC и сохраняют это состояние на протяжении всего энергетического ската. Это сложная задача, которая выполняется с помощью спиральных магнитов, называемых «сибирскими змеями» (в RHIC цепь из 4 спиральных дипольных магнитов). Штопор заставляет магнитное поле закручиваться по спирали вдоль направления пучка [13] Run-9 достиг энергии центра масс500 ГэВ 12 февраля 2009 г. [14] В Run-13 средняя светимость p + p коллайдера достигла160 × 10 30 см −2 ⋅с −1 , со средней по времени и интенсивности поляризацией 52%. [11]
Диполи переменного тока впервые были использованы в нелинейной диагностике машин в RHIC. [15]
В настоящее время на RHIC работают два детектора : STAR (на 6 часах, рядом с линией передачи данных AGS-RHIC) и sPHENIX (на 8 часах), преемник PHENIX . PHOBOS (на 10 часах) завершил свою работу в 2005 году, а BRAHMS (на 2 часах) — в 2006 году.
Среди двух более крупных детекторов, STAR нацелен на обнаружение адронов с его системой камер проекции времени, охватывающих большой телесный угол и в традиционно генерируемом соленоидальном магнитном поле , в то время как PHENIX дополнительно специализируется на обнаружении редких и электромагнитных частиц, используя систему детекторов частичного покрытия в сверхпроводяще генерируемом аксиальном магнитном поле. Меньшие детекторы имеют большее покрытие псевдобыстроты , PHOBOS имеет наибольшее покрытие псевдобыстроты из всех детекторов и предназначен для измерения множественности объемных частиц, в то время как BRAHMS предназначен для импульсной спектроскопии, чтобы изучать так называемые "малые x " и физику насыщения. Существует дополнительный эксперимент, PP2PP (теперь часть STAR), исследующий спиновую зависимость в p + p рассеянии . [19]
Представители каждого из экспериментов:
Для экспериментальной цели создания и изучения кварк-глюонной плазмы RHIC обладает уникальной способностью обеспечивать базовые измерения для себя. Это состоит как из более низких энергий, так и из более низких массовых чисел комбинаций снарядов, которые не приводят к плотности столкновений Au + Au 200 ГэВ, как столкновения p + p и d + Au в более ранних запусках, а также столкновения Cu + Cu в Run-5.
Используя этот подход, можно получить важные результаты измерения горячей КХД-материи, созданной на RHIC: [20]
В то время как в первые годы теоретики с энтузиазмом заявляли, что RHIC открыл кварк-глюонную плазму (например, Дьюласси и МакЛаррен [25] ), экспериментальные группы были более осторожны и не спешили с выводами, ссылаясь на различные переменные, которые все еще требовали дальнейшего измерения. [26] Полученные результаты показывают, что созданная материя представляет собой жидкость с вязкостью, близкой к квантовому пределу, но не похожа на слабо взаимодействующую плазму (распространенное, но количественно не лишенное оснований мнение о том, как выглядит кварк-глюонная плазма).
Недавний обзор результатов физики представлен в RHIC Experimental Evaluations 2004, архивировано 2 февраля 2017 г. на Wayback Machine , в рамках экспериментов RHIC, проводимых в масштабах всего сообщества, по оценке текущих данных в контексте их влияния на формирование нового состояния материи. [27] [28] [29] [30] Эти результаты получены за первые три года сбора данных на RHIC.
Новые результаты были опубликованы в Physical Review Letters 16 февраля 2010 года, в которых говорится об открытии первых намеков на преобразования симметрии , и что наблюдения могут указывать на то, что пузыри, образовавшиеся в результате столкновений, созданных в RHIC, могут нарушать симметрию четности , которая обычно характеризует взаимодействия между кварками и глюонами . [31] [32]
Физики RHIC объявили о новых измерениях температуры для этих экспериментов, достигающих 4 триллионов кельвинов, самой высокой температуры, когда-либо достигнутой в лаборатории. [33] Это описывается как воссоздание условий, которые существовали во время рождения Вселенной . [34]
В конце 2012 года Консультативный комитет по ядерной науке (NSAC) попросили дать рекомендации Управлению по науке Министерства энергетики и Национальному научному фонду о том, как реализовать долгосрочный план ядерной науки, написанный в 2007 году, если будущие бюджеты ядерной науки продолжат не обеспечивать роста в течение следующих четырех лет. В узком голосовании комитет NSAC проявил небольшое предпочтение, основанное на соображениях, не связанных с наукой, [35] в пользу закрытия RHIC, а не отмены строительства Объекта для пучков редких изотопов (FRIB). [36]
К октябрю 2015 года ситуация с бюджетом улучшилась, и RHIC продолжил свою деятельность в следующем десятилетии. [37]
RHIC начал работу в 2000 году и до ноября 2010 года был самым высокоэнергетическим коллайдером тяжелых ионов в мире. Большой адронный коллайдер (LHC) ЦЕРНа , хотя и используется в основном для столкновения протонов, работает с тяжелыми ионами около одного месяца в году. LHC работал с энергиями на нуклон в 25 раз выше. По состоянию на 2018 год RHIC и LHC являются единственными действующими адронными коллайдерами в мире.
Благодаря более длительному времени работы в год, на RHIC можно изучать большее количество видов сталкивающихся ионов и энергий столкновений. Кроме того, в отличие от LHC, RHIC также способен ускорять спин-поляризованные протоны, что делает RHIC самым высокоэнергетическим ускорителем в мире для изучения структуры спин-поляризованных протонов.
Главной модернизацией является электронно-ионный коллайдер ( EIC ), добавление высокоинтенсивного электронного пучка 18 ГэВ, позволяющего проводить столкновения электронов с ионами. Для изучения столкновений необходимо будет построить по крайней мере один новый детектор. Обзор был опубликован Абаем Дешпанде и др. в 2005 году. [38] Более позднее описание можно найти по адресу: [39]
9 января 2020 года Пол Даббар, заместитель министра науки Министерства энергетики США, объявил, что проект BNL eRHIC был выбран для будущего электронно-ионного коллайдера (EIC) в Соединенных Штатах. В дополнение к выбору площадки было объявлено, что BNL EIC приобрел CD-0 (необходимость миссии) у Министерства энергетики. [40]
До того, как RHIC начал работу, критики постулировали, что чрезвычайно высокая энергия может привести к катастрофическим сценариям, [41] таким как создание черной дыры , переход в другой квантово-механический вакуум (см. ложный вакуум ) или создание странной материи , которая более стабильна, чем обычная материя . Эти гипотезы сложны, но многие предсказывают, что Земля будет уничтожена в течение периода времени от секунд до тысячелетий, в зависимости от рассматриваемой теории. Однако тот факт, что объекты Солнечной системы (например, Луна) подвергались бомбардировке космическими частицами значительно более высоких энергий, чем у RHIC и других искусственных коллайдеров в течение миллиардов лет, без какого-либо вреда для Солнечной системы, был одним из самых ярких аргументов в пользу того, что эти гипотезы были необоснованными. [42]
Другим главным спорным вопросом было требование критиков [ требуется цитата ] к физикам обоснованно исключить вероятность такого катастрофического сценария. Физики не способны продемонстрировать экспериментальные и астрофизические ограничения нулевой вероятности катастрофических событий, ни то, что завтра Земля будет поражена космическим лучом « конца света » (они могут только вычислить верхний предел вероятности). Результатом будут те же разрушительные сценарии, описанные выше, хотя, очевидно, не вызванные людьми. Согласно этому аргументу верхних пределов, RHIC все равно изменит шанс выживания Земли на бесконечно малую величину.
В связи с ускорителем частиц RHIC были высказаны опасения как в СМИ [43] [44] , так и в научно-популярных СМИ. [45] Мартин Риз указал на риск сценария конца света в отношении RHIC, как на вероятность не менее 1 из 50 000 000. [46] Что касается производства страпель , Фрэнк Клоуз , профессор физики в Оксфордском университете , указывает, что «вероятность того, что это произойдет, подобна тому, что вы выигрываете главный приз в лотерею 3 недели подряд; проблема в том, что люди верят, что можно выиграть в лотерею 3 недели подряд». [44] После детальных исследований ученые пришли к таким выводам, как «вне всякого разумного сомнения, эксперименты с тяжелыми ионами на RHIC не поставят под угрозу нашу планету» [47] и что существуют «веские эмпирические доказательства против возможности опасного производства страпель». [42]
Дебаты начались в 1999 году с обмена письмами в Scientific American между Уолтером Л. Вагнером и Ф. Вильчеком [48] в ответ на предыдущую статью М. Мукерджи. [49] Внимание СМИ развернулось со статьей в британской Sunday Times от 18 июля 1999 года, написанной Дж. Ликом [50], за которой вскоре последовали статьи в американских СМИ. [51] Полемика в основном закончилась докладом комитета, созванного директором Брукхейвенской национальной лаборатории Дж. Х. Марбургером , который якобы исключил описанные катастрофические сценарии. [42] Однако доклад оставил открытой возможность того, что продукты релятивистских космических лучей могут вести себя по-разному при прохождении Земли по сравнению с продуктами RHIC «в состоянии покоя»; и возможность того, что качественное различие между столкновениями высокоэнергетических протонов с Землей или Луной может отличаться от золота при столкновениях золота на RHIC. Вагнер впоследствии пытался остановить столкновение на полной энергии в RHIC, подав иски в федеральные суды Сан-Франциско и Нью-Йорка, но безуспешно. [52] Иск в Нью-Йорке был отклонен по техническим причинам, поскольку иск в Сан-Франциско был предпочтительным форумом. Иск в Сан-Франциско был отклонен, но с разрешением на повторную подачу, если будет разработана и представлена в суд дополнительная информация. [53]
17 марта 2005 года BBC опубликовала статью, в которой говорилось, что исследователь Горациу Нэстасе полагает, что на RHIC были созданы черные дыры. [54] Однако в оригинальных статьях Х. Нэстасе [55] и статье New Scientist [56], цитируемых BBC, утверждается, что соответствие горячей плотной материи КХД , созданной на RHIC, черной дыре существует только в смысле соответствия рассеяния КХД в пространстве Минковского и рассеяния в пространстве AdS 5 × X 5 в AdS/CFT ; другими словами, это похоже математически. Следовательно, столкновения RHIC могут быть описаны математикой, соответствующей теориям квантовой гравитации в AdS/CFT, но описанные физические явления не являются теми же самыми.
Проект RHIC спонсировался Министерством энергетики США , Управлением науки, Управлением ядерной физики. Его постатейный бюджет составлял 616,6 млн долларов США. [1]
В 2006 финансовом году операционный бюджет был сокращен на 16,1 млн долларов США по сравнению с предыдущим годом, до 115,5 млн долларов США. Хотя работа в рамках сокращения федерального бюджета на 2006 финансовый год [57] [58] была неопределенной, основная часть операционных расходов (13 млн долларов США) была предоставлена в частном порядке группой, близкой к Renaissance Technologies из Ист-Сетаукета, Нью-Йорк . [59] [60]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite magazine}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь ){{cite magazine}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь )