Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ядролық физика мен жоғары энергиялық физиканың қиылысуы
Intersection of nuclear physics and high energy physics
Жоғары энергиялық ядролық физика жоғары энергиялық физикаға тән энергия деңгейлерінде ядролық материяның қалай өтетінін зерттейді. Бұл саланың негізгі бағыты – басқа бөлшектер үдеткіштеріндегі жеңіл атомдармен салыстырғанда, ауыр иондардың соқтығысуын зерттеу. Жеткілікті соқтығысу энергиясында осы типтегі соқтығысулар кварк-глюондық плазманы құрауы мүмкін деген теория бар. Жоғары энергиядағы шеткі ядролық соқтығысуларда электрон-позитрон коллайдерлерінде мүмкін емес лептондар мен мезондардың электромагниттік туындылануы туралы ақпарат алуға болады, себебі олардың люминоздығы әлдеқайда төмен. Бұрынғы жоғары энергиялық ядролық үдеткіш эксперименттерінде JINR және LBNL Bevalac-те 1 ГэВ/нуклоннан бастап, CERN SPS-те 158 ГэВ/нуклонға дейінгі проектил энергияларын пайдалана отырып, ауыр иондардың соқтығысуы зерттелді. "Тұрақты нысана" эксперименттері деп аталатын осы типтегі эксперименттерде, негізінен иондардың "шоғыры" (әдетте шоғырға 10⁶-10⁸ ион шамасында) жарық жылдамдығына (0,999c) жуық жылдамдыққа дейін үдетіліп, содан соң олар ұқсас ауыр иондардан тұратын нысанаға шабуылдайды. Барлық соқтығысу жүйелері де қызығушылық тудырса да, 1990 жылдардың соңында Брукхейвен ұлттық зертханасының ауыспалы градиенттік синхротронында (AGS) алтын нысаналарға алтын сәулелерінің және CERN-нің суперпротондық синхротронында уран нысаналарына уран сәулелерінің симметриялық соқтығысу жүйелеріне ерекше назар аударылды. Жоғары энергиялық ядролық физика эксперименттері Брукхейвен ұлттық зертханасының Релятивистік ауыр иондар коллайдерінде (RHIC) және CERN-нің Ірі адрондық коллайдерінде жалғасуда. RHIC-тегі бағдарлама төрт эксперименттен басталды: PHENIX, STAR, PHOBOS және BRAHMS – барлығы жоғары релятивистік ядролардың соқтығысуын зерттеуге арналған. Тұрақты нысана эксперименттерінен айырмашылығы, коллайдерлік эксперименттер иондардың екі үдетілген сәулесін бір-біріне қарай (RHIC жағдайында) алты өзара әрекеттесу аймағына бағыттайды. RHIC-те иондар (ионның өлшеміне байланысты) 100 ГэВ/нуклоннан 250 ГэВ/нуклонға дейін үдетілуі мүмкін. Әрбір соқтығысатын ион осы энергияға ие болып, қарама-қарсы бағытта қозғалатындықтан, соқтығысудың максималды энергиясы алтын үшін 200 ГэВ/нуклон, ал протондар үшін 500 ГэВ/нуклон болатын массалық орталық энергиясына жете алады. CERN-дегі LHC-дегі ALICE (A Large Ion Collider Experiment) детекторы Pb–Pb ядроларының 2,76 ТэВ/нуклон жұп энергиясымен массалық орталықта соқтығысуын зерттеуге мамандандырылған. LHC-тің барлық негізгі детекторлары – ALICE, ATLAS, CMS және LHCb – ауыр иондар бағдарламасына қатысады.
High energy nuclear physics studies the behavior of nuclear matter in energy regimes typical of high energy physics. The primary focus of this field is the study of heavy ion collisions, as compared to lighter atoms in other particle accelerators. At sufficient collision energies, these types of collisions are theorized to produce the quark–gluon plasma. In peripheral nuclear collisions at high energies one expects to obtain information on the electromagnetic production of leptons and mesons that are not accessible in electron–positron colliders due to their much smaller luminosities. Previous high energy nuclear accelerator experiments have studied heavy ion collisions using projectile energies of 1 GeV/nucleon at JINR and LBNL Bevalac up to 158 GeV/nucleon at CERN SPS. Experiments of this type, called "fixed target" experiments, primarily accelerate a "bunch" of ions (typically around 106 to 108 ions per bunch) to speeds approaching the speed of light (0.999c) and smash them into a target of similar heavy ions. While all collision systems are interesting, great focus was applied in the late 1990s to symmetric collision systems of gold beams on gold targets at Brookhaven National Laboratory's Alternating Gradient Synchrotron (AGS) and uranium beams on uranium targets at CERN's Super Proton Synchrotron. High energy nuclear physics experiments are continued at the Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and at the CERN Large Hadron Collider. At RHIC the programme began with four experiments— PHENIX, STAR, PHOBOS, and BRAHMS—all dedicated to study collisions of highly relativistic nuclei. Unlike fixed target experiments, collider experiments steer two accelerated beams of ions toward each other at (in the case of RHIC) six interaction regions. At RHIC, ions can be accelerated (depending on the ion size) from 100 GeV/nucleon to 250 GeV/nucleon. Since each colliding ion possesses this energy moving in opposite directions, the maximal energy of the collisions can achieve a center of mass collision energy of 200 GeV/nucleon for gold and 500 GeV/nucleon for protons. The ALICE (A Large Ion Collider Experiment) detector at the LHC at CERN is specialized in studying Pb–Pb nuclei collisions at a center of mass energy of 2.76 TeV per nucleon pair. All major LHC detectors—ALICE, ATLAS, CMS and LHCb—participate in the heavy ion programme.
Тарих
Ыстық адрондық материяны және көп бөлшекті өндіруді зерттеудің ұзақ тарихы бар, оны АҚШ-та Энрико Ферми және КСРО-да Лев Ландаудың көп бөлшекті өндіру жөніндегі теориялық еңбектері бастады. Бұл күш-жігер 1960-шы жылдардың басында көп бөлшекті өндірудің термодинамикалық сипаттамасын және Рольф Хагедорнның статистикалық бутстрап моделін жасауға негіз салды. Осы жетістіктер кварк-глюондық плазманы іздеуге және табуға әкелді. Бұл жаңа материя түрінің пайда болуы қазір де белсенді зерттеулерде.
The exploration of hot hadron matter and of multiparticle production has a long history initiated by theoretical work on multiparticle production by Enrico Fermi in the US and Lev Landau in the USSR. These efforts paved the way to the development in the early 1960s of the thermal description of multiparticle production and the statistical bootstrap model by Rolf Hagedorn. These developments led to search for and discovery of quark gluon plasma. Onset of the production of this new form of matter remains under active investigation.
Бірінші соққылар
Ең алғашқы ауыр иондық соқтығысулар шамалы релятивистік жағдайларда Берклидегі Лоуренс Беркли ұлттық зертханасында (LBNL, бұрын LBL), АҚШ, және Мәскеу облысындағы Дубнадағы Ядролық зерттеулер жөніндегі бірлескен институтында (JINR) жүргізілді. LBL-де ауыр иондарды HILAC ауыр иондық үдеткішінен Беватронға жеткізу үшін тасымалдау желісі құрылды. Бастапқыда бір нуклонға шамамен 1–2 ГэВ энергия деңгейіне қол жеткізілді, бұл қалыпты ядролық тығыздықтан бірнеше есе қысылған ядролық затты тудырды. Сығылған және қозған ядролық заттың қасиеттерін зерттеу мүмкіндігін көрсету, BNL және CERN-дегі үдеткіштердегі зертханалық нысаналарға бағытталған релятивистік сәулелермен әлдеқайда жоғары энергиядағы зерттеу бағдарламаларын дамытуға түрткі болды. Алғашқы коллайдерлік эксперименттер 1999 жылы RHIC-те басталды, ал LHC 2010 жылы ауыр иондарды бір ретке үлкен энергиямен соқтығыстыруды бастады.
The first heavy ion collisions at modestly relativistic conditions were undertaken at the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, formerly LBL) at Berkeley, California, U. S. A., and at the Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, Moscow Oblast, USSR. At the LBL, a transport line was built to carry heavy ions from the heavy ion accelerator HILAC to the Bevatron. The energy scale at the level of 1–2 GeV per nucleon attained initially yields compressed nuclear matter at few times normal nuclear density. The demonstration of the possibility of studying the properties of compressed and excited nuclear matter motivated research programs at much higher energies in accelerators available at BNL and CERN with relativist beams targeting laboratory fixed targets. The first collider experiments started in 1999 at RHIC, and LHC begun colliding heavy ions at one order of magnitude higher energy in 2010.
CERN операциясы
CERN-дегі LHC коллайдері жылына бір ай ядролық соқтығысу режимінде жұмыс істейді, онда Pb ядролары ядролық жұпқа 2,76 ТэВ жылдамдықпен соқтығысады, бұл тынығу массасының энергиясынан 1500 есе артық. Барлығы 1250 валентті кварк соқтығысып, ыстық кварк-глюондық қоспаны құрайды. Электрондық бұлттан айырылған ауыр атом ядролары ауыр иондар деп аталады, ал кинетикалық энергиясы тынығу энергиясынан едәуір асып түскен кезде, LHC-дегідей, (ультра)релятивистік ауыр иондар туралы айтылады. Мұндай соқтығысулардың нәтижесінде күшті өзара әрекеттесетін көптеген бөлшектер пайда болады. 2012 жылдың тамызында ALICE ғалымдары өздерінің эксперименттерінің нәтижесінде шамамен 5,5 триллион Кельвин температурасы бар кварк-глюон плазмасын жасағанын хабарлады, бұл қазіге дейін кез келген физикалық экспериментте қол жеткізілген ең жоғары температура. Бұл температура 2010 жылы Брукхейвен ұлттық зертханасында өткізілген экспериментте қол жеткізілген шамамен 4 триллион Кельвин бұрынғы рекордтан шамамен 38% жоғары.
The LHC collider at CERN operates one month a year in the nuclear collision mode, with Pb nuclei colliding at 2.76 TeV per nucleon pair, about 1500 times the energy equivalent of the rest mass. Overall 1250 valence quarks collide, generating a hot quark–gluon soup. Heavy atomic nuclei stripped of their electron cloud are called heavy ions, and one speaks of (ultra)relativistic heavy ions when the kinetic energy exceeds significantly the rest energy, as it is the case at LHC. The outcome of such collisions is production of very many strongly interacting particles. In August 2012 ALICE scientists announced that their experiments produced quark–gluon plasma with temperature at around 5.5 trillion kelvins, the highest temperature achieved in any physical experiments thus far. This temperature is about 38% higher than the previous record of about 4 trillion kelvins, achieved in the 2010 experiments at the Brookhaven National Laboratory.