Física nuclear de alta energía

La física nuclear de alta energía estudia el comportamiento de la materia nuclear en regímenes energéticos típicos de la física de alta energía . El enfoque principal de este campo es el estudio de las colisiones de iones pesados, en comparación con los átomos más ligeros en otros aceleradores de partículas . Se postula que, a energías de colisión suficientes, este tipo de colisiones producen el plasma de quarks y gluones . En las colisiones nucleares periféricas a altas energías, se espera obtener información sobre la producción electromagnética de leptones y mesones que no son accesibles en los colisionadores de electrones y positrones debido a sus luminosidades mucho menores. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Experimentos previos con aceleradores nucleares de alta energía han estudiado colisiones de iones pesados ​​utilizando energías de proyectil de 1  GeV/nucleón en JINR y LBNL-Bevalac hasta 158  GeV/nucleón en CERN-SPS . Los experimentos de este tipo, llamados experimentos de "blanco fijo", aceleran principalmente un "paquete" de iones (típicamente entre 10⁶ ^y 10⁸ ^iones por paquete) a velocidades cercanas a la velocidad de la luz (0,999 c ) y los hacen chocar contra un blanco de iones pesados ​​similares. Si bien todos los sistemas de colisión son interesantes, a finales de la década de 1990 se prestó gran atención a los sistemas de colisión simétricos de haces de oro sobre blancos de oro en el Sincrotrón de Gradiente Alterno (AGS) del Laboratorio Nacional de Brookhaven y haces de uranio sobre blancos de uranio en el Super Sincrotrón de Protones del CERN .

Los experimentos de física nuclear de alta energía continúan en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven y en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN . En RHIC, el programa comenzó con cuatro experimentos: PHENIX, STAR, PHOBOS y BRAHMS, todos dedicados al estudio de colisiones de núcleos altamente relativistas. A diferencia de los experimentos con blancos fijos, los experimentos en colisionadores dirigen dos haces acelerados de iones uno hacia el otro en (en el caso de RHIC) seis regiones de interacción. En RHIC, los iones pueden ser acelerados (dependiendo del tamaño del ion) de 100 GeV/nucleón a 250 GeV/nucleón. Dado que cada ion colisionante posee esta energía moviéndose en direcciones opuestas, la energía máxima de las colisiones puede alcanzar una energía de colisión en el centro de masa de 200 GeV/nucleón para el oro y 500 GeV/nucleón para los protones.    

El detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) del LHC en el CERN está especializado en el estudio de colisiones de núcleos de Pb-Pb a una energía en el centro de masas de 2,76  TeV por par de nucleones. Todos los detectores principales del LHC —ALICE, ATLAS , CMS y LHCb— participan en el programa de iones pesados. ^{[ 4 ]}

La exploración de la materia hadrónica caliente y de la producción de múltiples partículas tiene una larga historia, iniciada por el trabajo teórico sobre la producción de múltiples partículas realizado por Enrico Fermi en EE. UU. y Lev Landau en la URSS. Estos esfuerzos allanaron el camino para el desarrollo, a principios de la década de 1960, de la descripción térmica de la producción de múltiples partículas y el modelo estadístico bootstrap de Rolf Hagedorn . Estos avances condujeron a la búsqueda y el descubrimiento del plasma de quarks y gluones . ^{[ 5 ]} El inicio de la producción de esta nueva forma de materia sigue siendo objeto de investigación activa.

El colisionador LHC del CERN opera un mes al año en modo de colisión nuclear, con núcleos de Pb colisionando a 2,76  TeV por par de nucleones, aproximadamente 1500 veces la energía equivalente a la masa en reposo. En total, colisionan 1250 quarks de valencia, generando una sopa caliente de quarks y gluones. Los núcleos atómicos pesados ​​despojados de su nube electrónica se denominan iones pesados, y se habla de iones pesados ​​(ultra)relativistas cuando la energía cinética supera significativamente la energía en reposo , como ocurre en el LHC. El resultado de tales colisiones es la producción de muchísimas partículas con interacción fuerte .

En agosto de 2012, los científicos de ALICE anunciaron que sus experimentos produjeron plasma de quarks y gluones con una temperatura de alrededor de 5,5 billones de kelvins , la temperatura más alta alcanzada hasta la fecha en cualquier experimento físico. ^{[ 6 ]} Esta temperatura es aproximadamente un 38 % superior al récord anterior de unos 4  billones de kelvins, alcanzado en los experimentos de 2010 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven . ^{[ 6 ]} Los resultados de ALICE se anunciaron en la conferencia Quark Matter 2012 del 13 de agosto en Washington, D.C. El plasma de quarks y gluones producido por estos experimentos se aproxima a las condiciones del universo que existían microsegundos después del Big Bang , antes de que la materia se condensara en átomos . ^{[ 7 ]}

Este programa de investigación internacional tiene varios objetivos científicos:

• La formación e investigación de un nuevo estado de la materia compuesto de quarks y gluones, el plasma de quarks y gluones (QGP), que prevaleció en el universo primitivo durante los primeros 30 microsegundos .
• El estudio del confinamiento de color y la transformación del estado de vacío de confinamiento de color = confinamiento de quarks al estado excitado que los físicos llaman vacío perturbativo, en el que los quarks y los gluones pueden vagar libremente, lo que ocurre a la temperatura de Hagedorn ;
• El estudio de los orígenes de la masa de la materia hadrónica ( protón , neutrón, etc.) se cree que está relacionada con el fenómeno del confinamiento de quarks y la estructura del vacío.

Este programa experimental es la continuación de una década de investigación en el colisionador RHIC en BNL y casi dos décadas de estudios utilizando blancos fijos en SPS en CERN y AGS en BNL. Este programa experimental ya ha confirmado que se pueden alcanzar las condiciones extremas de la materia necesarias para llegar a la fase QGP. Un rango de temperatura típico alcanzado en el QGP creado

${\displaystyle T=300~{\text{MeV}}/k_{\text{B}}=3.3\times 10^{12}~{\text{K}}}$

es más que100 000 veces mayor que en el centro del Sol . Esto corresponde a una densidad de energía.

${\displaystyle \epsilon =10~{\text{GeV/fm}}^{3}=1.8\times 10^{16}~{\text{g/cm}}^{3}}$.

La presión correspondiente de la materia relativista es

${\displaystyle P\simeq {\frac {1}{3}}\epsilon =0.52\times 10^{31}~{\text{bar}}.}$

• Página principal de Física Nuclear de la Universidad de Rutgers
• Publicaciones - Física Nuclear de Altas Energías (HENP)
• https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/