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 átomos más ligeros en otros aceleradores de partículas . A energías de colisión suficientes, se teoriza que este tipo de colisiones producen el plasma de quarks y gluones . En 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]}

En experimentos anteriores con aceleradores nucleares de alta energía se han estudiado colisiones de iones pesados ​​utilizando energías de proyectiles de 1 GeV/nucleón en JINR y LBNL-Bevalac hasta 158 GeV/nucleón en CERN-SPS . Los experimentos de este tipo, llamados experimentos de "objetivo fijo", aceleran principalmente un "grupo" de iones (normalmente alrededor de 10 ⁶ a 10 ⁸ iones por grupo) a velocidades cercanas a la velocidad de la luz (0,999 c ) y los estrellan contra un objetivo de iones pesados ​​similares. Aunque todos los sistemas de colisión son interesantes, a finales de los años 90 se prestó gran atención a los sistemas de colisión simétrica de haces de oro sobre objetivos de oro en el Sincrotrón de Gradiente Alternado (AGS) del Laboratorio Nacional de Brookhaven y de haces de uranio sobre objetivos de uranio en el Sincrotrón de Superprotones del CERN .

Los experimentos de física nuclear de alta energía continúan en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven y en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN . En el RHIC, el programa comenzó con cuatro experimentos (PHENIX, STAR, PHOBOS y BRAHMS), todos ellos dedicados al estudio de colisiones de núcleos altamente relativistas. A diferencia de los experimentos con objetivos fijos, los experimentos con colisionadores dirigen dos haces acelerados de iones uno hacia el otro en (en el caso del RHIC) seis regiones de interacción. En el RHIC, los iones pueden acelerarse (dependiendo del tamaño del ion) desde 100 GeV/nucleón hasta 250 GeV/nucleón. Dado que cada ion en colisión 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 del CERN está especializado en el estudio de colisiones de núcleos Pb-Pb con una energía en el centro de masas de 2,76 TeV por par de nucleones. Todos los principales detectores 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 multipartículas tiene una larga historia iniciada por el trabajo teórico sobre la producción de multipartículas de Enrico Fermi en los 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 multipartículas y el modelo estadístico bootstrap de Rolf Hagedorn . Estos avances llevaron a la búsqueda y el descubrimiento del plasma de quarks y gluones . El inicio de la producción de esta nueva forma de materia sigue siendo objeto de investigación activa.

Las primeras colisiones de iones pesados ​​en condiciones moderadamente relativistas se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL, anteriormente LBL) en Berkeley , California, EE. UU., y en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Dubna , Óblast de Moscú, URSS. En el LBL, se construyó una línea de transporte para llevar iones pesados ​​desde el acelerador de iones pesados ​​HILAC al Bevatron . La escala de energía al nivel de 1-2 GeV por nucleón alcanzada inicialmente produce materia nuclear comprimida a pocas veces la densidad nuclear normal. La demostración de la posibilidad de estudiar las propiedades de la materia nuclear comprimida y excitada motivó programas de investigación a energías mucho más altas en aceleradores disponibles en BNL y CERN con haces relativistas dirigidos a objetivos fijos de laboratorio. Los primeros experimentos de colisionadores comenzaron en 1999 en RHIC, y el LHC comenzó a colisionar iones pesados ​​​​a una energía un orden de magnitud mayor en 2010.

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, unas 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 de electrones se denominan iones pesados, y se habla de iones pesados ​​(ultra)relativistas cuando la energía cinética excede significativamente la energía en reposo , como es el caso del LHC. El resultado de tales colisiones es la producción de muchas partículas que interactúan fuertemente .

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 en cualquier experimento físico hasta el momento. ^[5] Esta temperatura es aproximadamente un 38% más alta que el récord anterior de aproximadamente 4 billones de kelvins, logrado en los experimentos de 2010 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven . ^[5] Los resultados de ALICE se anunciaron en la conferencia Quark Matter 2012 del 13 de agosto en Washington, DC. El plasma de quarks y gluones producido por estos experimentos se aproxima a las condiciones en el universo que existían microsegundos después del Big Bang , antes de que la materia se fusionara en átomos . ^[6]

Los objetivos científicos de este programa de investigación internacional son varios:

• 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 temprano en los primeros 30 microsegundos .
• El estudio del confinamiento del 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 moverse libremente, lo que ocurre a la temperatura de Hagedorn ;
• El estudio de los orígenes de la masa de la materia de los hadrones ( protones , neutrones , etc.) se cree que está relacionada con el fenómeno del confinamiento de los quarks y la estructura de vacío.

Este programa experimental es la continuación de una década de investigación en el colisionador RHIC en el BNL y casi dos décadas de estudios utilizando objetivos fijos en SPS en el CERN y AGS en el BNL. Este programa experimental ya ha confirmado que se pueden alcanzar las condiciones extremas de la materia necesarias para alcanzar 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 de materia relativista correspondiente es

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

• Página de inicio de Física nuclear de la Universidad Rutgers
• Publicaciones - Física nuclear de altas energías (HENP)
• https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/