Ядерная физика высоких энергий - High-energy nuclear physics

Ядерная физика
NuclearReaction.svg
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция

Ядерная физика высоких энергий изучает поведение ядерной материи в энергетических режимах, характерных для физика высоких энергий. Основное внимание в этой области уделяется изучению столкновений тяжелых ионов по сравнению с более легкими атомами в других ускорители частиц. Теоретически при достаточной энергии столкновения эти типы столкновений вызывают кварк-глюонная плазма. При периферийных 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 ядерные установки высоких энергий ускоритель В экспериментах изучались столкновения тяжелых ионов с использованием энергии снаряда 1 ГэВ / нуклон при ОИЯИ и LBNL-Bevalac до 158 ГэВ / нуклон при ЦЕРН-СПС. Эксперименты этого типа, называемые экспериментами с «фиксированной мишенью», в основном ускоряют «сгусток» ионов (обычно около 106 до 108 ионов на сгусток) до скоростей, приближающихся к скорость света (0.999c) и разбить их о мишень из таких же тяжелых ионов. Хотя все системы столкновений интересны, в конце 1990-х годов большое внимание было уделено симметричным системам столкновений. золото лучи на золотые мишени на Брукхейвенская национальная лаборатория с Синхротрон с переменным градиентом (AGS) и уран пучки на урановых мишенях на ЦЕРН с Супер протонный синхротрон.

Эксперименты по ядерной физике высоких энергий продолжаются в Брукхейвенская национальная лаборатория с Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) и на ЦЕРН Большой адронный коллайдер. 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 центр массы энергия столкновения 200 ГэВ / нуклон для золота и 500 ГэВ / нуклон для протонов.

В Алиса Детектор (эксперимент с большим ионным коллайдером) 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, АТЛАС, CMS и LHCb - участие в программе тяжелых ионов.[4]

История

Исследование горячей адронной материи и многочастичное производство имеет долгую историю, начатую теоретическими работами по рождению множественных частиц Энрико Ферми в США и Лев Ландау в СССР. Эти усилия проложили путь к развитию в начале 1960-х годов термического описания множественного образования частиц и статистическая загрузка модель от Рольф Хагедорн. Эти разработки привели к поиску и открытию кварк-глюонная плазма. Начало производства этой новой формы материи все еще активно исследуется.

Первые столкновения

Первые столкновения тяжелых ионов в умеренно релятивистских условиях были предприняты в Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (LBNL, ранее LBL) в Беркли, Калифорния, США, и в Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубна, Московская область, СССР. На LBL была проложена транспортная линия для транспортировки тяжелых ионов от ускорителя тяжелых ионов HILAC к Беватрон. 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 на BNL и ЦЕРН 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, энергия которых на порядок выше.

ЦЕРН операция

В LHC коллайдер на ЦЕРН работает один месяц в году в режиме ядерных столкновений, с Pb ядра, сталкивающиеся при 2,76 ТэВ на пару нуклонов, что примерно в 1500 раз превышает энергию, эквивалентную массе покоя. Всего 1250 валентных кварков сталкиваются, образуя горячий кварк-глюонный суп. Тяжелый атомные ядра лишенные своего электронного облака, называются тяжелыми ионами, и о (ультра) релятивистских тяжелых ионах говорят, когда кинетическая энергия значительно превышает энергия отдыха, как и на LHC. Результатом таких столкновений является производство очень многих сильно взаимодействующие частицы.

В августе 2012 года ученые ALICE объявили, что в результате их экспериментов кварк-глюонная плазма с температурой около 5,5 триллионов кельвины, самая высокая температура, достигнутая на данный момент в любых физических экспериментах.[5] Эта температура примерно на 38% выше, чем предыдущий рекорд в 4 триллиона кельвинов, достигнутый в экспериментах 2010 г. Брукхейвенская национальная лаборатория.[5] Результаты ALICE были объявлены 13 августа. Кварковая материя 2012 конференция в Вашингтон, округ Колумбия.. Кварк-глюонная плазма, созданная в этих экспериментах, приближается к условиям во Вселенной, существовавшим через микросекунды после Большой взрыв, прежде чем дело слилось в атомы.[6]

Цели

Эта международная исследовательская программа преследует несколько научных целей:

  • Формирование и исследование нового состояния материи из кварков и глюонов - кварк-глюонной плазмы. QGP, который преобладал в ранняя вселенная за первые 30 микросекунд.
  • Изучение ограничение цвета и преобразование 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;
  • Изучение происхождения адрон (протон, нейтрон и др.) масса вещества, как полагают, связана с явлением удержания кварков и структуры вакуума.

Экспериментальная программа

Эта экспериментальная программа следует за десятилетними исследованиями в RHIC коллайдер на BNL и почти два десятилетия исследований с использованием фиксированных целей на СПС в ЦЕРНе и AGS в BNL. Эта экспериментальная программа уже подтвердила, что могут быть достигнуты экстремальные материальные условия, необходимые для достижения фазы QGP. Типичный температурный диапазон, достигаемый в QGP, создан

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

.

Соответствующая релятивистская материя давление является

Дополнительная информация

Рекомендации

  1. ^ "Домашняя страница Ядерной физики Университета Рутгерса". www.physics.rutgers.edu. Получено 5 февраля 2019.
  2. ^ «Публикации - Ядерная физика высоких энергий (HENP)». www.physics.purdue.edu. Архивировано из оригинал 29 июля 2012 г.. Получено 5 февраля 2019.
  3. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2010-12-12. Получено 2009-08-18.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  4. ^ «Quark Matter 2018». Индико. Получено 2020-04-29.
  5. ^ а б Эрик Хэнд (13 августа 2012 г.). «Горячий материал: физики ЦЕРНа создают рекордный субатомный суп». Блог новостей природы. Получено 5 января 2019.
  6. ^ Уилл Фергюсон (14 августа 2012 г.). «Изначальная материя LHC - самая горячая вещь, которую когда-либо делали». Новый ученый. Получено 15 августа 2012.