Физика высоких энергий и ядерная материя: столкновения тяжелых ионов.

Введение

Пересечение ядерной физики и физики высоких энергий

Высокоэнергетическая ядерная физика изучает поведение ядерной материи в энергетических режимах, типичных для физики высоких энергий. Основным направлением этой области является изучение столкновений тяжелых ионов, в отличие от столкновений с более легкими атомами в других ускорителях частиц. При достаточных энергиях столкновения эти типы столкновений теоретически приводят к образованию кварк-глюонной плазмы. В периферических ядерных столкновениях при высоких энергиях можно ожидать получения информации об электромагнитном рождении лептонов и мезонов, недоступной в электронно-позитронных коллайдерах из-за их значительно меньшей светимости. Предыдущие эксперименты на высокоэнергетических ядерных ускорителях изучали столкновения тяжелых ионов с энергиями пучков от 1 ГэВ/нуклон на Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) и в LBNL Bevalac до 158 ГэВ/нуклон на CERN SPS. Эксперименты такого типа, называемые экспериментами с неподвижной мишенью, в основном ускоряют "пучок" ионов (обычно около 10⁶–10⁸ ионов в пучке) до скоростей, близких к скорости света (0,999c), и сталкивают их с мишенью из аналогичных тяжелых ионов. Хотя все системы столкновений представляют интерес, в конце 1990-х годов особое внимание уделялось симметричным системам столкновений золотых пучков на золотых мишенях в Альтернативном градиентном синхротроне (AGS) Брукхейвенской национальной лаборатории и урановых пучков на урановых мишенях в Суперпротонном синхротроне ЦЕРН. Эксперименты в области высокоэнергетической ядерной физики продолжаются в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории и в Большом адронном коллайдере ЦЕРН. 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 неподвижной мишенью, коллайдерные эксперименты направляют два ускоренных пучка ионов навстречу друг другу в (в случае RHIC) шести точках 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, движущейся в противоположных направлениях, максимальная энергия столкновений может достигать энергии столкновения в системе центра масс 200 ГэВ/нуклон для золота и 500 ГэВ/нуклон для протонов. Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) на LHC в ЦЕРН специализируется на изучении столкновений ядер Pb–Pb при энергии в системе центра масс 2,76 ТэВ на пару нуклонов. Все основные детекторы БАК — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb — участвуют в программе изучения тяжелых ионов.

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.

История

Исследование горячей адронной материи и множественного рождения частиц имеет долгую историю, начатую теоретическими работами по множественному рождению частиц Энрико Ферми в США и Льва Ландау в СССР. Эти усилия подготовили почву для разработки в начале 1960-х годов термического описания множественного рождения частиц и статистической бутстрап-модели Рольфа Хагедорна. Эти разработки привели к поиску и открытию кварк-глюонной плазмы. Начало образования этой новой формы материи остаётся предметом активных исследований.

Первые столкновения

Первые столкновения тяжелых ионов в умеренно релятивистских условиях были проведены в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL, ранее LBL) в Беркли, Калифорния, США, и в Объединенном институте ядерных исследований (JINR) в Дубне, Московская область, СССР. В LBL была построена транспортная линия для доставки тяжелых ионов от ускорителя тяжелых ионов HILAC к Беватрону. Достигнутый изначально энергетический масштаб в 1–2 ГэВ на нуклон позволил получить сжатую ядерную материю при плотности в несколько раз превышающей нормальную ядерную плотность. Демонстрация возможности изучения свойств сжатой и возбужденной ядерной материи стимулировала исследовательские программы на гораздо более высоких энергиях в ускорителях BNL и CERN с использованием релятивистских пучков, направленных на стационарные мишени. Первые эксперименты на коллайдерах начались в 1999 году в RHIC, а LHC начал сталкивать тяжелые ионы на порядок величины большей энергии в 2010 году.

Операция ЦЕРН

Коллайдер LHC в CERN работает один месяц в году в режиме столкновения ядер, при этом ядра свинца сталкиваются при энергии 2,76 ТэВ на пару нуклонов, что примерно в 1500 раз превышает энергетический эквивалент массы покоя. В общей сложности сталкиваются 1250 валентных кварков, образуя горячий кварк-глюонный суп. Тяжелые атомные ядра, лишенные электронного облака, называются тяжелыми ионами, а об (ультра)релятивистских тяжелых ионах говорят, когда кинетическая энергия значительно превышает энергию покоя, что и происходит в LHC. Результатом таких столкновений является рождение огромного количества сильно взаимодействующих частиц. В августе 2012 года ученые коллаборации ALICE объявили о создании кварк-глюонной плазмы с температурой около 5,5 триллионов кельвинов – самой высокой температуры, достигнутой в физических экспериментах на сегодняшний день. Эта температура примерно на 38% выше предыдущего рекорда в 4 триллиона кельвинов, зарегистрированного в 2010 году в экспериментах в Брукхейвенской национальной лаборатории.