Высокоэнергетическая ядерная физика 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 . При достаточных энергиях столкновений эти типы столкновений теоретически могут производить кварк-глюонную плазму . В периферических ядерных столкновениях при высоких энергиях ожидается получение информации об электромагнитном рождении лептонов и мезонов, которые недоступны в электрон-позитронных коллайдерах из-за их гораздо меньшей светимости. [1] [2] [3]
Предыдущие эксперименты с высокоэнергетическими ядерными ускорителями изучали столкновения тяжелых ионов с использованием энергий снарядов от 1 ГэВ/нуклон в ОИЯИ и LBNL-Bevalac до 158 ГэВ/нуклон в CERN-SPS . Эксперименты этого типа, называемые экспериментами с «фиксированной мишенью», в первую очередь ускоряют «пучок» ионов (обычно около 10 6 - 10 8 ионов на пучок) до скоростей, приближающихся к скорости света (0,999 c ), и врезают их в мишень из аналогичных тяжелых ионов. Хотя все системы столкновений интересны, в конце 1990-х годов большое внимание уделялось симметричным системам столкновений золотых пучков с золотыми мишенями в синхротроне с переменным градиентом (AGS) Брукхейвенской национальной лаборатории и урановых пучков с урановыми мишенями в суперпротонном синхротроне ЦЕРН .
Эксперименты по ядерной физике высоких энергий продолжаются на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории и на Большом адронном коллайдере ЦЕРН . На 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 навстречу друг другу в (в случае RHIC) шести областях взаимодействия. На RHIC ионы могут быть ускорены (в зависимости от размера иона) от 100 ГэВ/нуклон до 250 ГэВ/нуклон. Поскольку каждый сталкивающийся ион обладает этой энергией, двигаясь в противоположных направлениях, максимальная энергия столкновений может достигать энергии столкновения в центре масс 200 ГэВ/нуклон для золота и 500 ГэВ/нуклон для протонов.
Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) на LHC в ЦЕРНе 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]
Исследование горячей адронной материи и множественного рождения частиц имеет долгую историю, начатую теоретическими работами по множественному рождению частиц Энрико Ферми в США и Львом Ландау в СССР. Эти усилия проложили путь к разработке в начале 1960-х годов термического описания множественного рождения частиц и статистической модели бутстрапа Рольфом Хагедорном . Эти разработки привели к поиску и открытию кварк-глюонной плазмы . Начало производства этой новой формы материи остается предметом активных исследований.
Первые столкновения тяжелых ионов в умеренно релятивистских условиях были проведены в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL, ранее LBL) в Беркли , Калифорния, США, и в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Московская область, СССР. В LBL была построена транспортная линия для транспортировки тяжелых ионов из ускорителя тяжелых ионов HILAC в Беватрон . Первоначально достигнутый масштаб энергии на уровне 1–2 ГэВ на нуклон дает сжатую ядерную материю с плотностью, в несколько раз превышающей нормальную. Демонстрация возможности изучения свойств сжатой и возбужденной ядерной материи мотивировала исследовательские программы при гораздо более высоких энергиях на ускорителях, имеющихся в BNL и CERN, с релятивистскими пучками, нацеленными на лабораторные фиксированные мишени. Первые эксперименты на коллайдере начались в 1999 году на RHIC, а LHC начал сталкивать тяжелые ионы при энергии на порядок выше в 2010 году.
Коллайдер LHC в ЦЕРНе работает один месяц в году в режиме ядерного столкновения, при этом ядра Pb сталкиваются при 2,76 ТэВ на пару нуклонов, что примерно в 1500 раз превышает эквивалент энергии покоя. В общей сложности сталкиваются 1250 валентных кварков, образуя горячий кварк-глюонный суп. Тяжелые атомные ядра, лишенные своего электронного облака, называются тяжелыми ионами, и говорят об (ультра)релятивистских тяжелых ионах, когда кинетическая энергия значительно превышает энергию покоя , как это происходит в LHC. Результатом таких столкновений является рождение очень большого количества сильно взаимодействующих частиц .
В августе 2012 года ученые ALICE объявили, что их эксперименты произвели кварк-глюонную плазму с температурой около 5,5 триллионов кельвинов , самой высокой температурой, достигнутой в любых физических экспериментах до сих пор. [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 на конференции Quark Matter 2012 13 августа в Вашингтоне, округ Колумбия. Кварк-глюонная плазма, полученная в этих экспериментах, приближается к условиям во Вселенной, которые существовали через микросекунды после Большого взрыва , до того, как материя объединилась в атомы . [6]
Эта международная исследовательская программа преследует несколько научных целей:
Эта экспериментальная программа следует за десятилетием исследований на коллайдере RHIC в BNL и почти двумя десятилетиями исследований с использованием фиксированных мишеней на SPS в CERN и AGS в BNL. Эта экспериментальная программа уже подтвердила, что экстремальные условия материи, необходимые для достижения фазы QGP, могут быть достигнуты. Типичный температурный диапазон, достигнутый в созданном QGP
больше чемВ 100 000 раз больше, чем в центре Солнца . Это соответствует плотности энергии
Соответствующее давление релятивистской материи равно
