Física nuclear de alta energía - High-energy nuclear physics
| Física nuclear |
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| Nucleus · nucleones ( p , n ) · la materia nuclear · fuerza nuclear · estructura Nuclear · reacción Nuclear |
La física nuclear de altas energías estudia el comportamiento de la materia nuclear en regímenes energéticos típicos de la física de altas energías . El enfoque principal de este campo es el estudio de las colisiones de iones pesados, en comparación con los átomos más ligeros en otros aceleradores de partículas . A energías de colisión suficientes, se teoriza que estos tipos de colisiones produzcan el plasma de quarks-gluones . En las colisiones nucleares periféricas a altas energías, se espera obtener información sobre la producción electromagnética de leptones y mesones que no son accesibles en los colisionadores electrón-positrón debido a sus luminosidades mucho más pequeñas.
Experimentos previos de aceleradores nucleares de alta energía han estudiado colisiones de iones pesados utilizando energías de proyectiles de 1 GeV / nucleón en JINR y LBNL-Bevalac hasta 158 GeV / nucleón en CERN-SPS . Los experimentos de este tipo, llamados experimentos de "objetivo fijo", aceleran principalmente un "grupo" de iones (por lo general, alrededor de 10 6 a 10 8 iones por grupo) a velocidades que se acercan a la velocidad de la luz (0,999 c ) y los aplastan contra un objetivo. de iones pesados similares. Si bien todos los sistemas de colisión son interesantes, se aplicó gran foco a finales de 1990 a los sistemas de colisión simétricos de oro vigas en objetivos de oro en el Brookhaven National Laboratory 's gradiente alterno de Sincrotrón (AGS) y el uranio vigas de blancos de uranio en el CERN ' s Súper Sincrotrón de Protones .
Experimentos de física nuclear de alta energía se continúan en el Brookhaven National Laboratory 's Relativista de Iones Pesados (RHIC) y en el CERN LHC . En RHIC, el programa comenzó con cuatro experimentos: PHENIX, STAR, PHOBOS y BRAHMS, todos dedicados al estudio de colisiones de núcleos altamente relativistas. A diferencia de los experimentos de objetivo fijo, los experimentos de colisionadores dirigen dos haces acelerados de iones uno hacia el otro en (en el caso de RHIC) seis regiones de interacción. En RHIC, los iones se pueden acelerar (dependiendo del tamaño del ión) de 100 GeV / nucleón a 250 GeV / nucleón. Dado que cada ion en colisión posee esta energía que se mueve en direcciones opuestas, la energía máxima de las colisiones puede lograr una energía de colisión en el centro de masa de 200 GeV / nucleón para el oro y 500 GeV / nucleón para los protones.
El detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) en el LHC del CERN está especializado en el estudio de colisiones de núcleos Pb-Pb a una energía de centro de masa de 2,76 TeV por par de nucleones. Todos los principales detectores del LHC (ALICE, ATLAS , CMS y LHCb) participan en el programa de iones pesados.
Historia
La exploración de la materia caliente de hadrones y de la producción de múltiples partículas tiene una larga historia iniciada por el trabajo teórico sobre la producción de múltiples partículas por Enrico Fermi en los Estados Unidos y Lev Landau en la URSS. Estos esfuerzos allanaron el camino para el desarrollo a principios de la década de 1960 de la descripción térmica de la producción de múltiples partículas y el modelo de arranque estadístico de Rolf Hagedorn . Estos desarrollos llevaron a la búsqueda y descubrimiento de plasma de quark-gluón . El inicio de la producción de esta nueva forma de materia permanece bajo investigación activa.
Primeras colisiones
Las primeras colisiones de iones pesados en condiciones modestamente relativistas se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL, anteriormente LBL) en Berkeley , California, EE. UU., Y en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Dubna , Óblast de Moscú, URSS. En el LBL, se construyó una línea de transporte para transportar iones pesados desde el acelerador de iones pesados HILAC al Bevatron . La escala de energía al nivel de 1-2 GeV por nucleón alcanzada inicialmente produce materia nuclear comprimida a pocas veces la densidad nuclear normal. La demostración de la posibilidad de estudiar las propiedades de la materia nuclear comprimida y excitada motivó programas de investigación a energías mucho más altas en aceleradores disponibles en BNL y CERN con rayos relativistas dirigidos a objetivos fijos de laboratorio. Los primeros experimentos de colisionadores comenzaron en 1999 en RHIC, y el LHC comenzó a colisionar iones pesados en un orden de magnitud mayor en energía en 2010.
Operación CERN
El colisionador del LHC en el CERN opera un mes al año en el modo de colisión nuclear, con núcleos de Pb colisionando a 2,76 TeV por par de nucleones, aproximadamente 1500 veces la energía equivalente a la masa en reposo. En total, 1250 quarks de valencia chocan, generando una sopa caliente de quarks y gluones. Los núcleos atómicos pesados despojados de su nube de electrones se denominan iones pesados, y se habla de iones pesados (ultra) relativistas cuando la energía cinética excede significativamente la energía en reposo , como es el caso del LHC. El resultado de tales colisiones es la producción de muchas partículas que interactúan fuertemente .
En agosto de 2012, los científicos de ALICE anunciaron que sus experimentos produjeron plasma de quarks-gluones con una temperatura de alrededor de 5,5 billones de kelvin , la temperatura más alta alcanzada en cualquier experimento físico hasta el momento. Esta temperatura es aproximadamente un 38% más alta que el récord anterior de aproximadamente 4 billones de kelvin, alcanzado en los experimentos de 2010 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven . Los resultados de ALICE fueron anunciados en la conferencia Quark Matter 2012 del 13 de agosto en Washington, DC El plasma de quark-gluón producido por estos experimentos se aproxima a las condiciones en el universo que existían microsegundos después del Big Bang , antes de que la materia se fusionara en átomos .
Objetivos
Hay varios objetivos científicos de este programa de investigación internacional:
- La formación e investigación de un nuevo estado de la materia hecha de quarks y gluones, el plasma de quarks-gluones QGP , que prevaleció en el universo temprano en los primeros 30 microsegundos .
- El estudio del confinamiento de color y la transformación de confinamiento de color = estado de vacío confinante de quarks al estado excitado que los físicos llaman vacío perturbativo, en el que los quarks y gluones pueden vagar libremente, lo que ocurre a la temperatura de Hagedorn ;
- El estudio de los orígenes de la masa de materia de los hadrones ( protones , neutrones , etc.) se cree que está relacionado con el fenómeno del confinamiento de los quarks y la estructura del vacío.
Programa experimental
Este programa experimental sigue una década de investigación en el colisionador RHIC en BNL y casi dos décadas de estudios que utilizan objetivos fijos en SPS en CERN y AGS en BNL. Este programa experimental ya ha confirmado que se pueden alcanzar las condiciones extremas de la materia necesarias para alcanzar la fase QGP. Un rango de temperatura típico logrado en el QGP creado
Es mas que 100 000 veces mayor que en el centro del Sol . Esto corresponde a una densidad de energía
- .
La correspondiente presión de materia relativista es
Más información
- Página de inicio de física nuclear de la Universidad de Rutgers
- Publicaciones - Física nuclear de alta energía (HENP)
- https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/