| Ядерная физика |
|---|
 |
| Ядро · Нуклоны ( p , n ) · Ядерная материя · Ядерная сила · Ядерная структура · Ядерная реакция |
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 достаточных энергиях столкновения эти типы столкновений приводят к возникновению кварк-глюонной плазмы . При периферических 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]
В предыдущих экспериментах на ядерных ускорителях высоких энергий изучались столкновения тяжелых ионов с использованием энергии снаряда от 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 6 до 10 8 ионов на сгусток) до скоростей, приближающихся к скорости света (0,999 c ), и врезают их в мишень. аналогичных тяжелых ионов. Хотя все системы столкновения интересны, в конце 1990-х годов большое внимание было уделено симметричным системам столкновения золотых лучей с золотыми мишенями наНациональной лаборатории Brookhaven «ы Переменный Градиент синхротрон (АГС) и урана пучков на урановых мишеней в ЦЕРН » ы Супер Протон синхротрона .
Высокоэнергетические эксперименты ядерной физики продолжаются на национальной лаборатории Brookhaven «s коллайдере релятивистских ионов (RHIC) и в ЦЕРНе 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, движущейся в противоположных направлениях, максимальная энергия столкновений может достигать центра масс. энергия столкновения 200 ГэВ / нуклон для золота и 500 ГэВ / нуклон для протонов.
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) детектор на LHC в ЦЕРН специализируется на изучении Pb-Pb ядер столкновений при энергии в системе центра масс 2,76 ТэВ на нуклон пары. Все основные детекторы LHC - ALICE, ATLAS , CMS и LHCb - участвуют в программе тяжелых ионов. [4]
История [ править ]
Исследование горячей адронный материи и множественном производства имеет долгую историю , инициированную теоретическими работами по множественным производствам по Энрико Ферми в США и Лев Ландау в СССР. Эти усилия проложили путь к развитию в начале 1960-х годов термического описания образования множества частиц и статистической модели бутстрапа Рольфом Хагедорном . Эти разработки привели к поиску и открытию кварк-глюонной плазмы . Начало образования этой новой формы материи остается предметом активных исследований.
Первые столкновения [ править ]
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. В LBL, транспортная линия была построена , чтобы переносить тяжелые ионы из ускорителя тяжелых ионов Hilac к Бэватрону . 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 послужила стимулом для исследовательских программ при гораздо более высоких энергиях на ускорителях, доступных наBNL 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, энергия которых на порядок выше.
ЦЕРН операция [ править ]
LHC коллайдер в ЦЕРНе работает один месяц в год в режиме ядерного столкновения, с Pb ядра сталкивающихся в 2,76 ТэВ на нуклон пары, около 1500 раз больше энергии , эквивалентной массы покоя. Всего 1250 валентных кварков сталкиваются, образуя горячий кварк-глюонный суп. Тяжелые атомные ядра, лишенные своего электронного облака, называются тяжелыми ионами, и о (ультра) релятивистских тяжелых ионах говорят, когда кинетическая энергия значительно превышает энергию покоя , как это имеет место на LHC. В результате таких столкновений рождается очень много сильно взаимодействующих частиц .
В августе 2012 года ученые ALICE объявили, что в их экспериментах образуется кварк-глюонная плазма с температурой около 5,5 триллиона кельвинов , что является самой высокой температурой, достигнутой на сегодняшний день в любых физических экспериментах. [5] Эта температура примерно на 38% выше, чем предыдущий рекорд в 4 триллиона кельвинов, достигнутый в экспериментах 2010 года в Брукхейвенской национальной лаборатории . [5] 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., прежде чем вещество слилось в атомы . [6]
Цели [ править ]
Эта международная исследовательская программа преследует несколько научных целей:
- 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 ограничения цвета и преобразования удержания цвета = удержание кварка в вакууме в возбужденное состояние физики называют пертурбативным вакуумом, в котором кварки и глюоны могут свободно перемещаться, что происходит при температуре Хагедорна ;
- Изучение происхождения массы вещества адронов ( протонов , нейтронов и т. Д.), Как полагают, связано с явлением удержания кварков и структуры вакуума.
Экспериментальная программа [ править ]
Эта экспериментальная программа следует за десятилетием исследований на коллайдере RHIC в BNL и почти за два десятилетия исследований с использованием фиксированных целей в 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 температурный диапазон, достигаемый в QGP, создан
больше чем В 100 000 раз больше, чем в центре Солнца . Это соответствует плотности энергии
- .
Соответствующее давление релятивистской материи равно
Дополнительная информация [ править ]
- Домашняя страница Ядерной физики Университета Рутгерса
- Публикации - Ядерная физика высоких энергий (HENP)
- https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/
Ссылки [ править ]
- ^ "Домашняя страница Ядерной физики Университета Рутгерса" . www.physics.rutgers.edu . Проверено 5 февраля 2019 .
- ^ "Публикации - Ядерная физика высоких энергий (HENP)" . www.physics.purdue.edu . Архивировано из оригинального 29 июля 2012 года . Проверено 5 февраля 2019 .
- ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2010-12-12 . Проверено 18 августа 2009 .CS1 maint: archived copy as title (link)
- ^ «Quark Matter 2018» . Индико . Проверено 29 апреля 2020 .
- ^ a b Эрик Хэнд (13 августа 2012 г.). «Горячий материал: физики ЦЕРНа создают рекордный субатомный суп» . Блог новостей природы . Дата обращения 5 января 2019 .
- ↑ Уилл Фергюсон (14 августа 2012 г.). «Изначальная материя LHC - самая горячая вещь из когда-либо созданных» . Новый ученый . Проверено 15 августа 2012 года .
