Релятивистский коллайдер тяжелых ионов - Relativistic Heavy Ion Collider

Адронные коллайдеры
Фрагмент столкновения релятивистских тяжелых ионов.jpg
Коллайдер релятивистских тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории . Обратите особое внимание на второе, независимое кольцо за синим полосатым кольцом. Едва заметный между белой и красной трубами на правой стене находится оранжевый аварийный шнур , который следует использовать, чтобы остановить луч любым, кто попал в туннель, когда он включен.
Пересекающиеся кольца для хранения ЦЕРН , 1971–1984 гг.
Протонно-антипротонный коллайдер ( SPS ) ЦЕРН , 1981–1991 гг.
ИЗАБЕЛЬ BNL , отменен в 1983 г.
Теватрон Фермилаб , 1987–2011 гг.
Сверхпроводящий суперколлайдер Отменено в 1993 г.
Релятивистский коллайдер тяжелых ионов БНЛ , 2000 – настоящее время
Большой адронный коллайдер ЦЕРН , 2009 – настоящее время
Круговой коллайдер будущего Предложил

Коллайдере релятивистских ионов ( RHIC / г ɪ к / ) является первым и одним из двух действующих большегрузных ионных ускорителей , и единственный спином -поляризованных протонного коллайдера когда - либо построенный. Расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) в Аптоне, штат Нью-Йорк , и используемый международной группой исследователей, это единственный действующий коллайдер частиц в США. Используя RHIC для столкновения ионов, движущихся с релятивистскими скоростями, физики изучают изначальную форму материи, существовавшую во Вселенной вскоре после Большого взрыва . Путем столкновения спин-поляризованных протонов исследуется спиновая структура протона .

По состоянию на 2019 год RHIC является вторым в мире коллайдером тяжелых ионов с самой высокой энергией. По состоянию на 7 ноября 2010 года Большой адронный коллайдер (LHC) столкнулся с тяжелыми ионами свинца при более высоких энергиях, чем RHIC. Время работы LHC для ионов (столкновения свинец-свинец и свинец-протон) ограничено примерно одним месяцем в год.

В 2010 году физики RHIC опубликовали результаты измерений температуры из более ранних экспериментов, которые пришли к выводу, что в столкновениях ионов золота были достигнуты температуры, превышающие 345 МэВ (4 теракельвина или 7 триллионов градусов по Фаренгейту), и что эти температуры столкновения привели к разрушению " нормальная материя »и создание жидкообразной кварк-глюонной плазмы .

В январе 2020 года Управление науки Министерства энергетики США выбрало проект eRHIC для будущего электронно-ионного коллайдера (EIC), основанный на существующей установке RHIC в BNL.

Ускоритель

RHIC - это ускоритель частиц с пересекающимися накопительными кольцами . Два независимых кольца (условно обозначенные как «Голубое» и «Желтое») циркулируют тяжелые ионы и / или поляризованные протоны в противоположных направлениях и позволяют практически свободный выбор сталкивающихся положительно заряженных частиц ( обновление eRHIC допускает столкновения между положительно и отрицательно заряженными частицы). Двойное накопительное кольцо RHIC имеет шестиугольную форму и окружность 3834 м , с изогнутыми краями, в которых хранящиеся частицы отклоняются и фокусируются 1740 сверхпроводящими магнитами с использованием ниобий-титановых проводников. В дипольных магнитах работают при 3.45  т . Шесть точек взаимодействия (между частицами, циркулирующими в двух кольцах) находятся в середине шести относительно прямых участков, где два кольца пересекаются, позволяя частицам сталкиваться. Точки взаимодействия пронумерованы положениями часов, при этом впрыск находится около 6 часов. Два больших эксперимента, STAR и PHENIX, расположены в 6 и 8 часах соответственно. Эксперимент PHENIX в настоящее время претерпевает серьезную модернизацию, чтобы стать sPHENIX.

Частица проходит несколько ступеней ускорителей, прежде чем попасть в накопитель RHIC. Первой ступенью для ионов является источник ионов электронного пучка (EBIS), а для протонов - ионный источник. Используется линейный ускоритель на 200  МэВ (Linac). Например, ядра золота, покидающие EBIS, имеют кинетическую энергию 2 МэВ на нуклон и имеют электрический заряд Q  = +32 (32 из 79 электронов оторваны от атома золота). Затем частицы ускоряются синхротроном Booster до 100 МэВ на нуклон, который теперь вводит снаряд с Q  = +77 в синхротрон с переменным градиентом (AGS), прежде чем они наконец достигнут 8,86 ГэВ на нуклон и инжектируются в состоянии Q  = +79 (не осталось электронов) в накопительное кольцо RHIC по линии передачи от AGS к RHIC (AtR).

На сегодняшний день в RHIC исследуются следующие типы комбинаций частиц: p + p , p + Al , p + Au , d + Au , h + Au , Cu + Cu , Cu + Au , Zr + Zr , Ru + Ru , Au + Au. и U + U . Снаряды обычно летят со скоростью 99,995% скорости света . Для столкновений Au + Au энергия центра масс обычно равна 200 ГэВ на пару нуклонов и составлял всего 7,7 ГэВ на пару нуклонов . Средняя светимость из 2 × 10 26  см −2 с −1 было запланировано во время планирования. Текущая средняя светимость коллайдера Au + Au достигла 87 × 10 26  см −2 с −1 , что в 44 раза превышает расчетное значение. Светимость тяжелых ионов существенно увеличивается за счет стохастического охлаждения .

Одной из уникальных характеристик RHIC является его способность сталкиваться с поляризованными протонами. RHIC является рекордсменом по количеству поляризованных протонных пучков с наивысшей энергией. Поляризованные протоны инжектируются в RHIC и сохраняют это состояние на протяжении всего периода роста энергии. Это сложная задача, которая решается с помощью штопорных магнетиков, называемых «сибирскими змеями» (в RHIC это цепочка из 4-х спиральных дипольных магнитов). Штопор индуцирует спиральное магнитное поле вдоль направления луча. Run-9 достигает энергии центра масс 500 ГэВ 12 февраля 2009 г. В Run-13 средняя светимость коллайдера p + p достигла 160 × 10 30  см -2 с -1 , со средней поляризацией по времени и интенсивности 52%.

Диполи переменного тока были впервые использованы в нелинейной диагностике машин в RHIC.

Эксперименты

Вид столкновений ионов золота, снятый детектором STAR.

В настоящее время в RHIC работает один детектор : STAR (6 часов, рядом с линией передачи от AGS к RHIC). PHENIX (8 часов) взял последние данные в 2016 году. PHOBOS (10 часов) завершил свою работу в 2005 году, а BRAHMS (2 часа) в 2006 году. Новый детектор sPHENIX строится в старом зале PHENIX и Ожидается, что сбор данных начнется в 2023 году.

Среди двух более крупных детекторов, STAR нацелен на обнаружение адронов с его системой камер временной проекции, охватывающей большой телесный угол и в традиционно генерируемом соленоидном магнитном поле , в то время как PHENIX дополнительно специализируется на обнаружении редких и электромагнитных частиц с использованием частичного система обнаружения в сверхпроводящем осевом магнитном поле. Детекторы меньшего размера имеют большее покрытие по псевдобыстроте , PHOBOS имеет наибольшее покрытие по псевдобыстротам среди всех детекторов и адаптировано для измерения множественности объемных частиц, в то время как BRAHMS разработан для импульсной спектроскопии с целью изучения так называемых "малых x " и физики насыщения . Существует дополнительный эксперимент PP2PP (теперь часть STAR), исследующий спиновую зависимость в p + p- рассеянии .

Представители каждого из экспериментов:

Текущие результаты

Для экспериментальной цели создания и изучения кварк-глюонной плазмы RHIC обладает уникальной способностью самостоятельно проводить базовые измерения. Он состоит из комбинаций снарядов как с более низкой энергией, так и с более низким массовым числом, которые не приводят к плотности столкновений Au + Au 200 ГэВ, таких как столкновения p + p и d + Au в более ранних сериях, а также столкновения Cu + Cu. в пробеге-5.

Используя этот подход, важными результатами измерения горячего вещества КХД, созданного на RHIC, являются:

  • Коллективная анизотропия или эллиптический поток . Большая часть частиц с меньшими импульсами испускается в соответствии с угловым распределением ( p T - поперечный импульс, угол с плоскостью реакции). Это прямой результат эллиптической формы области перекрытия ядер во время столкновения и гидродинамических свойств созданного вещества.
  • Струйная закалка . В случае столкновения тяжелых ионов рассеяние с большим поперечным p T может служить зондом для горячего вещества КХД, поскольку оно теряет свою энергию при движении через среду. Экспериментально величина R AA ( A - массовое число), представляющая собой частное от наблюдаемого выхода струи в столкновениях A  +  A и  выхода N bin × в столкновениях p + p, демонстрирует сильное затухание с увеличением A , что является признаком нового созданы свойства горячего вещества КХД.
  • Насыщенность цветного стекла конденсатом . Балицкий-Фадин-Кураев-Липатова (БФКЛО) динамика которые являются результатом пересуммирования большого логарифмической слагаемыми в Q ² для ГНР с малым Bjorken- х , насыщают на пределе унитарного , с Н частью / 2 является числом участвующих нуклонов в столкновении (в отличие от количества бинарных столкновений). Наблюдаемая заряженная множественность следует ожидаемой зависимости , подтверждая предсказания модели конденсата цветного стекла . Для подробного обсуждения см., Например, Дмитрий Харзеев и др. ; обзор конденсатов цветного стекла см., например, в Iancu & Venugopalan.
  • Соотношение частиц. Соотношения частиц, предсказываемые статистическими моделями, позволяют рассчитать такие параметры, как температура при химическом вымораживании T ch и химический потенциал адронов . Экспериментальное значение T ch немного меняется в зависимости от используемой модели, при этом большинство авторов дает значение 160 МэВ <  T ch  <180 МэВ, что очень близко к ожидаемому значению фазового перехода КХД, равному примерно 170 МэВ, полученному расчетами решеточной КХД ( см., например, Карш).

В то время как в первые годы теоретики стремились заявить, что RHIC открыл кварк-глюонную плазму (например, Дьюласси и МакЛаррен), экспериментальные группы были более осторожны, чтобы не делать поспешных выводов, ссылаясь на различные переменные, все еще нуждающиеся в дальнейших измерениях. Настоящие результаты показывают, что созданная материя представляет собой жидкость с вязкостью, близкой к квантовому пределу, но отличается от слабо взаимодействующей плазмы (широко распространенное, но не количественно необоснованное мнение о том, как выглядит кварк-глюонная плазма).

Недавний обзор результатов по физике предоставлен RHIC Experimental Evaluations 2004 , попыткой экспериментов RHIC оценить текущие данные в контексте их значения для формирования нового состояния материи. Это результаты первых трех лет сбора данных в RHIC.

Новые результаты были опубликованы в Physical Review Letters 16 февраля 2010 года, в которых говорится об обнаружении первых намеков на преобразования симметрии , и что наблюдения могут предполагать, что пузыри, образовавшиеся в результате столкновений, созданных в RHIC, могут нарушать симметрию четности , что обычно характеризует взаимодействия между кварками и глюонами .

Физики RHIC объявили о новых измерениях температуры для этих экспериментов, достигающей 4 триллионов кельвинов, что является самой высокой температурой, когда-либо достигнутой в лаборатории. Он описывается как воссоздание условий, существовавших во время рождения Вселенной .

Возможное закрытие по сценариям фиксированного бюджета ядерной науки

В конце 2012 года Консультативный комитет по ядерной науке (NSAC) попросили проконсультировать Управление науки Министерства энергетики и Национальный научный фонд о том, как реализовать долгосрочный план ядерной науки, написанный в 2007 году, если будущие бюджеты ядерной науки по-прежнему не предусматривают рост в течение следующих четырех лет. В результате узкого голосования комитет NSAC отдал небольшое предпочтение, основанное на соображениях, не связанных с наукой, в отношении закрытия RHIC, а не отмены строительства объекта для пучков редких изотопов (FRIB).

К октябрю 2015 года ситуация с бюджетом улучшилась, и RHIC может продолжить работу в следующем десятилетии.

Будущее

RHIC начал работу в 2000 году и до ноября 2010 года был самым мощным коллайдером тяжелых ионов в мире. Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРН , в то время как в основном используется для сталкивающихся протонов, работает с тяжелыми ионами в течение примерно одного месяца в год. LHC работал с в 25 раз более высокими энергиями на нуклон. По состоянию на 2018 год RHIC и LHC - единственные действующие адронные коллайдеры в мире.

Из-за более длительного времени работы в год на RHIC можно изучать большее количество сталкивающихся типов ионов и энергии столкновений. Вдобавок и в отличие от LHC, RHIC также может ускорять спин-поляризованные протоны, что сделало бы RHIC самым мощным в мире ускорителем для изучения спин-поляризованной структуры протонов.

Основным обновлением является электронно-ионный коллайдер ( EIC ), добавленный к установке с высокоинтенсивным электронным пучком 18 ГэВ, допускающей столкновения электронов с ионами. По крайней мере, один новый детектор необходимо будет построить для изучения столкновений. Обзор дан A. Deshpande et al. Более новое описание находится по адресу:

9 января 2020 года Пол Даббар, заместитель министра науки Министерства энергетики США, объявил, что конструкция BNL eRHIC была выбрана для будущего электронно-ионного коллайдера (EIC) в Соединенных Штатах. В дополнение к выбору площадки было объявлено, что BNL EIC приобрела CD-0 (необходимость миссии) от Министерства энергетики.

Критики высокоэнергетических экспериментов

Перед тем, как RHIC начал работу, критики постулировали, что чрезвычайно высокая энергия может привести к катастрофическим сценариям, таким как создание черной дыры , переход в другой квантово-механический вакуум (см. Ложный вакуум ) или создание странной материи, которая более стабильна, чем обычная. дело . Эти гипотезы сложны, но многие предсказывают, что Земля будет разрушена за время от секунд до тысячелетий, в зависимости от рассматриваемой теории. Однако тот факт, что объекты Солнечной системы (например, Луна) подвергались бомбардировке космическими частицами значительно более высоких энергий, чем у RHIC и других искусственных коллайдеров в течение миллиардов лет без какого-либо ущерба для Солнечной системы, был среди самых ярких аргументов, что эти гипотезы были необоснованными.

Другой основной спорной проблемой было требование критиков к физикам разумно исключить вероятность такого катастрофического сценария. Физики не могут продемонстрировать экспериментальные и астрофизические ограничения нулевой вероятности катастрофических событий или того, что завтра Землю поразит космический луч « судного дня » (они могут только вычислить верхний предел вероятности). Результатом будут те же разрушительные сценарии, описанные выше, хотя, очевидно, не по вине человека. Согласно этому аргументу о верхних пределах, RHIC все равно изменит шанс на выживание Земли на бесконечно малую величину.

В связи с ускорителем частиц RHIC были высказаны опасения как в средствах массовой информации, так и в научно-популярных СМИ. Мартин Рис в отношении RHIC указал на риск сценария конца света как минимум 1 из 50 000 000. Что касается производства странных фигурок , Фрэнк Клоуз , профессор физики Оксфордского университета , указывает, что «вероятность того, что это произойдет, такая же, как если бы вы выиграли главный приз в лотерее 3 недели подряд; проблема в том, что люди верят в это. можно выиграть в лотерею 3 недели подряд ». После подробных исследований ученые пришли к таким выводам, что «вне всяких разумных сомнений, эксперименты с тяжелыми ионами на RHIC не поставят под угрозу нашу планету», и что существуют «убедительные эмпирические доказательства против возможности образования опасных странников».

Дебаты начались в 1999 году с обмена письмами в Scientific American между Уолтером Л. Вагнером и Ф. Вильчеком в ответ на предыдущую статью М. Мукерджи. Внимание средств массовой информации привлекла статья Дж. Лика в британской Sunday Times от 18 июля 1999 г., за которой последовали статьи в средствах массовой информации США. Споры в основном закончились отчетом комитета, созванного директором Брукхейвенской национальной лаборатории Дж. Х. Марбургером , который якобы исключает описанные катастрофические сценарии. Однако отчет оставил открытой возможность того, что релятивистские продукты столкновения космических лучей могут вести себя по-другому при прохождении через Землю по сравнению с «неподвижными» продуктами RHIC; и возможность того, что качественное различие между столкновениями протонов с высоким E с Землей или Луной может отличаться от столкновения золота с золотом на RHIC. Впоследствии Вагнер попытался предотвратить столкновение на полную мощность в RHIC, подав федеральные иски в Сан-Франциско и Нью-Йорк, но безуспешно. Иск Нью-Йорка был отклонен на том основании, что иск Сан-Франциско был предпочтительным форумом. Иск Сан-Франциско был отклонен, но с разрешением на повторную подачу, если дополнительная информация будет представлена ​​и представлена ​​в суд.

17 марта 2005 года BBC опубликовала статью, в которой говорится, что исследователь Горациу Нэстасе считает, что черные дыры были созданы на RHIC. Однако в оригинальных статьях Х. Нэстасе и в статье New Scientist, цитируемой BBC, утверждается, что соответствие горячей плотной материи КХД, созданной на RHIC, черной дыре только в смысле соответствия рассеяния КХД в пространстве Минковского и рассеяние в пространстве AdS 5  ×  X 5 в AdS / CFT ; Другими словами, математически это похоже. Следовательно, столкновения RHIC могут быть описаны математикой, имеющей отношение к теориям квантовой гравитации в рамках AdS / CFT, но описанные физические явления не совпадают.

Финансовая информация

Проект RHIC спонсировался Министерством энергетики США , Управлением науки, Управлением ядерной физики. Его постатейный бюджет составлял 616,6 млн долларов США.

В 2006 финансовом году операционный бюджет был сокращен на 16,1 млн долларов США по сравнению с предыдущим годом до 115,5 млн долларов США. Хотя работа в рамках сокращения федерального бюджета в 2006 финансовом году была неопределенной, ключевая часть эксплуатационных расходов (13 миллионов долларов США) была внесена частным образом группой, близкой к Renaissance Technologies из Ист-Сетокет, Нью-Йорк .

RHIC в художественной литературе

  • Действие романа « Косм» ( ISBN   0-380-79052-1 ) американского писателя Грегори Бенфорда происходит в RHIC. В научно-фантастическом сеттинге описывается главная героиня Алисия Баттерворт, физик из эксперимента BRAHMS, и новая вселенная , случайно созданная в RHIC при работе с ионами урана .
  • В романе о зомби-апокалипсисе «Восстание » американского писателя Брайана Кина упоминаются опасения СМИ по поводу активации RHIC, поднятые в статье Дж. Лика в «Санди Таймс» от 18 июля 1999 года. Как выяснилось в самом начале истории, побочные эффекты коллайдерных экспериментов RHIC (расположенных в «Национальных лабораториях Хэвенбрука») были причиной восстания зомби в романе и его продолжении « Город мертвых» .
  • В серии романов «Память Райлории» американского писателя Отелло Гудена-младшего , начиная с « Райлорианского рассвета» ( ISBN   1466328681 ), отмечается, что каждый Лунный город и их космическая станция питаются от RHIC.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Координаты : 40 ° 53′2 ″ с.ш. 72 ° 52′33 ″ з.д.  /  40,88389 ° с.ш. 72,87583 ° з.д.  / 40,88389; -72,87583