Ядерная физика высоких энергий

редактировать

пересечение ядерной физики и привет gh-energy Physics

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. Теоретически при достаточной энергии столкновения эти типы столкновений приводят к образованию кварк-глюонной плазмы. При периферийных ядерных столкновениях при высоких энергиях ожидается получение информации об электромагнитном производстве лептонов и мезонов, которые недоступны на электрон-позитронных коллайдерах из-за их гораздо меньшей светимости.

Предыдущие ядерные установки с высокими энергиями В экспериментах на ускорителе изучались столкновения тяжелых ионов с использованием энергии снаряда 1 ГэВ / нуклон в ОИЯИ и LBNL-Bevalac до 158 ГэВ / нуклон в CERN-SPS. Эксперименты этого типа, называемые экспериментами с «фиксированной мишенью», в основном ускоряют «сгусток» ионов (обычно от 10 до 10 ионов на сгусток) до скоростей, приближающихся к скорости света (0,999c), и разбивают их в мишень из подобных тяжелых ионов. Хотя все системы столкновения интересны, в конце 1990-х годов большое внимание было уделено системам симметричного столкновения золотых лучей с золотыми мишенями в синхротроне с переменным градиентом Брукхейвенской национальной лаборатории (AGS) и урановые пучки на урановых мишенях на суперпротонном синхротроне ЦЕРН .

Продолжаются эксперименты по ядерной физике высоких энергий в Брукхейвене. Релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) Национальной лаборатории и в CERN 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 коллайдерах направляют два ускоренных пучка ионов навстречу друг другу в (в случае RHIC) шести областях взаимодействия. В 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 центра масс 200 ГэВ / нуклон для золота и 500 ГэВ / нуклон для протонов.

Детектор ALICE (эксперимент на большом ионном коллайдере) на LHC в ЦЕРНе специализируется на изучении столкновений ядер Pb – Pb с энергией в центре масс 2,76 ТэВ на пару нуклонов.. Все основные детекторы LHC - ALICE, ATLAS, CMS и LHCb - участвуют в программе тяжелых ионов.

Содержание

1 История
- 1.1 Первые столкновения
2 Эксплуатация ЦЕРН
3 Цели
4 Экспериментальная программа
5 Дополнительная информация
6 Ссылки

История

Исследование горячей адронной материи и имеет долгую историю, начатую теоретическими работами по рождению множественных частиц Энрико Ферми в США и Львом Ландау в СССР. Эти усилия проложили путь к развитию в начале 1960-х гг. Термического описания образования множества частиц и статистической модели бутстрапа, разработанной Рольфом Хагедорном. Эти разработки привели к поиску и открытию кварк-глюонной плазмы. Начало производства этой новой формы материи находится в стадии активного расследования.

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 LBL была проложена транспортная линия для транспортировки тяжелых ионов от ускорителя тяжелых ионов HILAC к Bevatron. Энергетический масштаб на уровне 1-2 ГэВ на нуклон, достигнутый первоначально, дает сжатую ядерную материю с плотностью ядра, в несколько раз превышающей нормальную. Демонстрация возможности изучения свойств сжатой и возбужденной ядерной материи стимулировала исследовательские программы на гораздо более высоких энергиях на ускорителях, доступных в BNL и CERN, с релятивистскими лучами, нацеленными на неподвижные лабораторные цели. Первые эксперименты на коллайдере начались в 1999 году на RHIC, а в 2010 году LHC начал сталкиваться с тяжелыми ионами с энергией на порядок выше.

Работа ЦЕРН

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

В августе 2012 года ученые ALICE объявили, что в их экспериментах была произведена кварк-глюонная плазма с температурой около 5,5 триллиона кельвинов, самая высокая температура, достигнутая на данный момент в любых физических экспериментах. Эта температура примерно на 38% выше, чем предыдущий рекорд в 4 триллиона кельвинов, достигнутый в экспериментах 2010 г. в Брукхейвенской национальной лаборатории. Результаты ALICE были объявлены 13 августа на конференции Quark Matter 2012 в Вашингтоне, округ Колумбия. Кварк-глюонная плазма, созданная в этих экспериментах, приближается к условиям во Вселенной, существовавшим через микросекунды после Большого взрыва, до того, как материя объединилась в атомы.

Цели

Есть несколько научных целей этой международной исследовательской программы:

Формирование и исследование нового состояния материи, состоящего из кварков и глюонов, кварк-глюонной плазмы QGP, которая преобладала в ранней Вселенной в первые 30 микросекунд.
Изучение удержания цвета и преобразования удержания цвета = удерживающего кварк вакуумного состояния в возбужденное состояние физики называют пертурбативным вакуумом, в котором кварки и глюоны могут свободно перемещаться, что происходит при Температура Хагедорна ;
Исследование происхождения адронной (протонной, нейтронной и т. Д.) Массы вещества, которое, как считается, связано с явлением удержания кварков. и структура вакуума.

Экспериментальная программа

Эта экспериментальная программа следует за десятилетием исследования на коллайдере RHIC на BNL и почти два десятилетия исследований с использованием фиксированных целей на SPS в ЦЕРНе и AGS в BNL. Эта экспериментальная программа уже подтвердила, что могут быть достигнуты экстремальные материальные условия, необходимые для достижения фазы QGP. Типичный диапазон температур, достигнутый в QGP, составляет

T = 300 МэВ / k B = 3,3 × 10 12 K {\ displaystyle T = 300 ~ {\ text {МэВ}} / k _ {\ text {B}} = 3,3 \ times 10 ^ {12} ~ {\ text {K}}}

{\ displaystyle T = 300 ~ {\ text {МэВ}} / k _ {\ text {B} } = 3,3 \ times 10 ^ {12} ~ {\ text {K}}}

более чем в 100000 раз больше, чем в центре Солнца. Это соответствует плотности энергии

ϵ = 10 ГэВ / фм 3 = 1,8 × 10 16 г / см 3 {\ displaystyle \ epsilon = 10 ~ {\ text {ГэВ / фм}} ^ {3} = 1,8 \ times 10 ^ {16} ~ {\ text {г / см}} ^ {3}}

{\ displaystyle \ epsilon = 10 ~ {\ text {ГэВ / фм}} ^ {3} = 1,8 \ times 10 ^ {16} ~ { \ text {г / см}} ^ {3}}

Соответствующее давление релятивистской материи давление равно

P ≃ 1 3 ϵ = 0,52 × 10 31 бар. {\ displaystyle P \ simeq {\ frac {1} {3}} \ epsilon = 0,52 \ times 10 ^ {31} ~ {\ text {bar}}.}

{\ displaystyle P \ simeq {\ frac {1} {3}} \ epsilon = 0,52 \ times 10 ^ { 31} ~ {\ text {bar}}.}

Дополнительная информация

Ссылки