Física nuclear de alta energia - High-energy nuclear physics

A física nuclear de alta energia estuda o comportamento da matéria nuclear em regimes de energia típicos da física de alta energia . O foco principal deste campo é o estudo de colisões de íons pesados, em comparação com átomos mais leves em outros aceleradores de partículas . Com energias de colisão suficientes, esses tipos de colisões são teorizados para produzir o plasma quark-gluon . Em colisões nucleares periféricas em altas energias, espera-se obter informações sobre a produção eletromagnética de léptons e mésons que não são acessíveis em colisões elétron-pósitron devido às suas luminosidades muito menores.

Experimentos anteriores com aceleradores nucleares de alta energia estudaram colisões de íons pesados ​​usando energias de projéteis de 1 GeV / nucleon no JINR e LBNL-Bevalac até 158 GeV / nucleon no CERN-SPS . Experimentos desse tipo, chamados de experimentos de "alvo fixo", aceleram principalmente um "grupo" de íons (normalmente em torno de 10 6 a 10 8 íons por grupo) a velocidades próximas da velocidade da luz (0,999 c ) e os esmaga em um alvo de íons pesados ​​semelhantes. Enquanto todos os sistemas de colisão são interessantes, grande foco foi aplicado no final de 1990 para sistemas de colisão simétricas de ouro vigas em alvos de ouro no Brookhaven National Laboratory 's Alternating Gradient Synchrotron (AGS) e urânio vigas em alvos de urânio no CERN ' s Super Proton Synchrotron .

De alta energia experimentos de física nuclear são continuados no Laboratório Nacional Brookhaven 's Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC) e no CERN Large Hadron Collider . No RHIC, o programa começou com quatro experimentos - PHENIX, STAR, PHOBOS e BRAHMS - todos dedicados ao estudo de colisões de núcleos altamente relativísticos. Ao contrário dos experimentos de alvo fixo, os experimentos com colisor direcionam dois feixes acelerados de íons um em direção ao outro em (no caso do RHIC) seis regiões de interação. No RHIC, os íons podem ser acelerados (dependendo do tamanho do íon) de 100 GeV / nucleon para 250 GeV / nucleon. Uma vez que cada íon em colisão possui essa energia movendo-se em direções opostas, a energia máxima das colisões pode atingir uma energia de colisão do centro de massa de 200 GeV / nucleon para ouro e 500 GeV / nucleon para prótons.

O detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) do LHC do CERN é especializado no estudo de colisões de núcleos Pb-Pb em uma energia de centro de massa de 2,76 TeV por par de núcleos. Todos os principais detectores do LHC - ALICE, ATLAS , CMS e LHCb - participam do programa de íons pesados.

História

A exploração da matéria quente de hádrons e da produção de multipartículas tem uma longa história iniciada por trabalhos teóricos sobre a produção de multipartículas de Enrico Fermi nos Estados Unidos e Lev Landau na URSS. Esses esforços pavimentaram o caminho para o desenvolvimento, no início dos anos 1960, da descrição térmica da produção de multipartículas e do modelo estatístico bootstrap de Rolf Hagedorn . Esses desenvolvimentos levaram à busca e descoberta de plasma quark-gluon . O início da produção desta nova forma de matéria permanece sob investigação ativa.

Primeiras colisões

As primeiras colisões de íons pesados ​​em condições modestamente relativísticas foram realizadas no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL, anteriormente LBL) em Berkeley , Califórnia, EUA, e no Joint Institute for Nuclear Research (JINR) em Dubna , Moscow Oblast, URSS. No LBL, uma linha de transporte foi construída para transportar íons pesados ​​do acelerador de íons pesados ​​HILAC para o Bevatron . A escala de energia no nível de 1–2 GeV por nucleon atingida inicialmente produz matéria nuclear comprimida com poucas vezes a densidade nuclear normal. A demonstração da possibilidade de estudar as propriedades da matéria nuclear comprimida e excitada motivou programas de pesquisa com energias muito superiores em aceleradores disponíveis no BNL e CERN com feixes relativistas direcionados a alvos fixos de laboratório. Os primeiros experimentos com colisor começaram em 1999 no RHIC, e o LHC começou a colidir íons pesados ​​em uma ordem de magnitude mais alta de energia em 2010.

Operação CERN

O colisor LHC no CERN opera um mês por ano no modo de colisão nuclear, com núcleos de Pb colidindo a 2,76 TeV por par de núcleos, cerca de 1.500 vezes o equivalente em energia da massa restante. No total, 1250 quarks de valência colidem, gerando uma sopa quente de quark-gluon. Os núcleos atômicos pesados despojados de sua nuvem de elétrons são chamados de íons pesados, e fala-se de íons pesados ​​(ultra) relativísticos quando a energia cinética excede significativamente a energia de repouso , como é o caso no LHC. O resultado de tais colisões é a produção de muitas partículas de interação forte .

Em agosto de 2012, os cientistas do ALICE anunciaram que seus experimentos produziram plasma quark-gluon com temperatura em torno de 5,5 trilhões de kelvins , a temperatura mais alta alcançada em qualquer experimento físico até agora. Essa temperatura é cerca de 38% mais alta do que o recorde anterior de cerca de 4 trilhões de Kelvin, alcançado nos experimentos de 2010 no Laboratório Nacional de Brookhaven . Os resultados do ALICE foram anunciados na conferência Quark Matter 2012 de 13 de agosto em Washington, DC O plasma quark-gluon produzido por esses experimentos se aproxima das condições no universo que existiam microssegundos após o Big Bang , antes da matéria coalescer em átomos .

Objetivos

Existem vários objetivos científicos deste programa internacional de pesquisa:

  • A formação e investigação de um novo estado da matéria feito de quarks e glúons, o plasma quark-gluon QGP , que prevaleceu no início do universo nos primeiros 30 microssegundos .
  • O estudo do confinamento da cor e a transformação do confinamento da cor = quark que confina o estado de vácuo ao estado excitado que os físicos chamam de vácuo perturbativo, no qual quarks e glúons podem vagar livremente, o que ocorre à temperatura de Hagedorn ;
  • O estudo das origens da massa da matéria de hádrons ( prótons , nêutrons etc.) está relacionado ao fenômeno do confinamento dos quarks e à estrutura do vácuo.

Programa experimental

Este programa experimental segue uma década de pesquisa no colisor RHIC no BNL e quase duas décadas de estudos usando alvos fixos no SPS no CERN e AGS no BNL. Este programa experimental já confirmou que as condições extremas de matéria necessárias para atingir a fase QGP podem ser alcançadas. Uma faixa de temperatura típica alcançada no QGP criado

é mais que 100 000 vezes maior do que no centro do Sol . Isso corresponde a uma densidade de energia

.

A pressão de matéria relativística correspondente é

Mais Informações

Referências