Colisionador de iones pesados ​​relativistas

El Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​( RHIC / ˈ r ɪ k / ) es el primero y uno de los dos únicos colisionadores de iones pesados ​​en funcionamiento , y el único colisionador de protones polarizados por espín jamás construido. Ubicado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL) en Upton, Nueva York , y utilizado por un equipo internacional de investigadores, fue el último colisionador de partículas en funcionamiento en los EE. UU. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Al usar RHIC para colisionar iones que viajan a velocidades relativistas , los físicos estudian la forma primordial de la materia que existía en el universo poco después del Big Bang . ^{[ 4 ] [ 5 ]} Al colisionar protones polarizados por espín, se explora la estructura de espín del protón .

RHIC fue el segundo colisionador de iones pesados ​​de mayor energía del mundo, con energías de nucleones para colisiones que alcanzaron los 100 GeV para iones de oro y los 250 GeV para protones. ^{[ 6 ]} A partir del 7 de noviembre de 2010, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha colisionado iones pesados ​​de plomo a energías más altas que RHIC. ^{[ 7 ]} El tiempo de operación del LHC para iones (colisiones plomo-plomo y plomo-protón) está limitado a aproximadamente un mes por año.

En 2010, los físicos del RHIC publicaron los resultados de mediciones de temperatura de experimentos anteriores que concluyeron que se habían alcanzado temperaturas superiores a 345  MeV (4  terakelvin o 7 billones de grados Fahrenheit) en colisiones de iones de oro, y que estas temperaturas de colisión dieron como resultado la ruptura de la "materia normal" y la creación de un plasma de quarks y gluones similar a un líquido . ^{[ 8 ]}

En enero de 2020, la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos seleccionó el diseño eRHIC para el futuro colisionador electrón-ión (EIC), basándose en las instalaciones RHIC existentes en BNL.

RHIC tuvo sus últimas colisiones y finalizó la recopilación de datos el 6 de febrero de 2026. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

RHIC es un acelerador de partículas de anillo de almacenamiento intersecante . Dos anillos independientes (denominados arbitrariamente "Azul" y "Amarillo") hacen circular iones pesados ​​y/o protones polarizados en direcciones opuestas y permiten una elección prácticamente libre de partículas cargadas positivamente que colisionan (la actualización eRHIC permitirá colisiones entre partículas cargadas positiva y negativamente). El anillo de almacenamiento doble de RHIC tiene forma hexagonal y una circunferencia de3834  m , con bordes curvos en los que las partículas almacenadas son desviadas y enfocadas por 1740 imanes superconductores que utilizan conductores de niobio-titanio . Los imanes dipolares funcionan a3,45 T.  ^{[ 12 ]} Los seis puntos de interacción (entre las partículas que circulan en los dos anillos) se encuentran en el centro de las seis secciones relativamente rectas, donde los dos anillos se cruzan, permitiendo que las partículas colisionen. Los puntos de interacción se enumeran según las posiciones del reloj, con la inyección cerca de las 6 en punto. Dos grandes experimentos, STAR y sPHENIX, se ubican a las 6 y 8 en punto respectivamente. El experimento sPHENIX es el experimento más reciente construido en RHIC, reemplazando a PHENIX en la posición de las 8 en punto. ^{[ 13 ]}

Una partícula pasa por varias etapas de aceleradores antes de llegar al anillo de almacenamiento RHIC. La primera etapa para iones es la fuente de iones de haz de electrones (EBIS), mientras que para protones, la Se utiliza un acelerador lineal (Linac) de 200 MeV . Como ejemplo, los núcleos de oro que salen del EBIS tienen una energía cinética de2  MeV por nucleón y tienen una carga eléctrica Q  =  +32 (32 de 79 electrones arrancados del átomo de oro). Las partículas son luego aceleradas por el sincrotrón Booster a100  MeV por nucleón, que inyecta el proyectil ahora con Q  =  +77 en el Sincrotrón de Gradiente Alterno (AGS), antes de que finalmente alcancen8,86  GeV por nucleón y se inyectan en un estado Q  =  +79 (sin electrones restantes) en el anillo de almacenamiento RHIC a través de la línea de transferencia AGS-a-RHIC (AtR).

Hasta la fecha, los tipos de combinaciones de partículas exploradas en RHIC son p + p , p + Al , p + Au , d + Au , h + Au , Cu + Cu , Cu + Au , Zr + Zr , Ru + Ru , Au + Au , U + U O+O. Los proyectiles suelen viajar al 99,995% de la velocidad de la luz . Para colisiones Au + Au , la energía del centro de masas es típicamente200  GeV por par de nucleones , y fue tan bajo como7,7  GeV por par de nucleones . Una luminosidad promedio deSe fijó como objetivo 2 × 10 ²⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹ durante la planificación. La luminosidad promedio actual de Au + Au del colisionador ha alcanzado87 × 10 ²⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹ , 44 veces el valor de diseño. ^{[ 14 ]} La luminosidad de iones pesados ​​aumenta sustancialmente a través del enfriamiento estocástico . ^{[ 15 ]}

Una característica única de RHIC es su capacidad para colisionar protones polarizados. RHIC ostenta el récord de haces de protones polarizados de mayor energía. Los protones polarizados se inyectan en RHIC y conservan este estado a lo largo de la rampa de energía. Esta es una tarea difícil que se logra con la ayuda de imanes helicoidales llamados "serpientes siberianas" (en RHIC una cadena de 4 imanes dipolares helicoidales ). El helicoidal induce que el campo magnético gire en espiral a lo largo de la dirección del haz ^{[ 16 ].} Run-9 alcanzó una energía en el centro de masa de500  GeV el 12 de febrero de 2009. ^{[ 17 ]} En Run-13 la luminosidad promedio p + p del colisionador alcanzó160 × 10 ³⁰  cm ⁻² ⋅s ⁻¹ , con una polarización promedio en tiempo e intensidad del 52%. ^{[ 14 ]}

Los dipolos de CA se han utilizado por primera vez en el diagnóstico de máquinas no lineales en RHIC. ^{[ 18 ]}

• Componentes del acelerador
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  El  sistema de refrigeración de helio de 25 MW que enfría los imanes superconductores hasta la temperatura de funcionamiento de 4,5  K ^{[ 19 ].}
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  Un imán dipolar de arco. Ranuras de bus eléctrico (superior e inferior) y tubo de haz (medio) en la sección superior de la carcasa de vacío ^{[ 20 ].}
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  Curvatura del tubo de haz vista a través de los extremos de un imán dipolar de arco.
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  Dos anillos aceleradores principales dentro del túnel RHIC
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  Detector STAR
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  Un sensor detector de vértice de silicio frontal (FVTX) del detector PHENIX en un microscopio ^{[ 21 ]}

Actualmente, en RHIC operan dos detectores : STAR (a las 6 en punto, cerca de la línea de transferencia AGS-RHIC) y sPHENIX (a las 8 en punto), sucesor de PHENIX . PHOBOS (a las 10 en punto) finalizó su funcionamiento en 2005, y BRAHMS (a las 2 en punto) en 2006.

Entre los dos detectores más grandes, STAR está orientado a la detección de hadrones con su sistema de cámaras de proyección temporal que cubren un gran ángulo sólido y en un campo magnético solenoidal generado convencionalmente , mientras que PHENIX está más especializado en la detección de partículas raras y electromagnéticas, utilizando un sistema de detector de cobertura parcial en un campo magnético axial generado superconductoramente. Los detectores más pequeños tienen una mayor cobertura de pseudorapidez ; PHOBOS tiene la mayor cobertura de pseudorapidez de todos los detectores y está diseñado para la medición de la multiplicidad de partículas en masa, mientras que BRAHMS está diseñado para la espectroscopia de momento, con el fin de estudiar la llamada física de " x pequeña " y de saturación. Hay un experimento adicional, PP2PP (ahora parte de STAR), que investiga la dependencia del espín en la dispersión  p +  p . ^{[ 22 ]}

Los portavoces de cada uno de los experimentos son:

• ESTRELLA : Frank Geurts ( Universidad Rice )
• FÉNIX : Yasuyuki Akiba ( Riken )
• sPHENIX: Megan Connors ( Universidad Estatal de Georgia ) y Jin Huang ( Laboratorio Nacional de Brookhaven )

Para el objetivo experimental de crear y estudiar el plasma de quarks y gluones, RHIC posee la capacidad única de proporcionar mediciones de referencia para sí mismo. Esto incluye combinaciones de proyectiles de menor energía y menor número másico que no dan como resultado la densidad de colisiones  Au  +  Au de 200 GeV, como las colisiones p  +  p y d  +  Au de las ejecuciones anteriores, y también las colisiones Cu  +  Cu en la Ejecución 5.

Utilizando este enfoque, los resultados importantes de la medición de la materia QCD caliente creada en RHIC son: ^{[ 23 ]}

• Anisotropía colectiva o flujo elíptico . La mayor parte de las partículas con menor momento se emite siguiendo una distribución angular.${\displaystyle dn/d\phi \propto 1+2v_{2}(p_{\mathrm {T} })\cos 2\phi }$( p _T es el momento transversal,${\displaystyle \phi }$ángulo con el plano de reacción). Esto es un resultado directo de la forma elíptica de la región de superposición del núcleo durante la colisión y la propiedad hidrodinámica de la materia creada.
• Extinción de chorros . En el evento de colisión de iones pesados, la dispersión con un alto p _T transversal puede servir como sonda para la materia QCD caliente, ya que pierde su energía al viajar a través del medio. Experimentalmente, la cantidad R _AA (donde A es el número másico), que es el cociente del rendimiento de chorros observado encolisiones A  + A y N _bin ×rendimiento en colisiones p+p, muestra una fuerte amortiguación con el aumento de A , lo que es una indicación de las nuevas propiedades de la materia QCD caliente creada.     
• Saturación del condensado del vidrio de color . La dinámica de Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov (BFKL) ^{[ 24 ]} , que resulta de una resuma de grandes términos logarítmicos ln (1/x) para la dispersión inelástica profunda con un pequeño Bjorken -x , se satura en un límite de unitariedad.${\displaystyle Q_{s}^{2}\propto \langle N_{\mathrm {part} }\rangle /2}$, donde N _parte /2 es el número de nucleones participantes en una colisión (a diferencia del número de colisiones binarias). La multiplicidad cargada observada sigue la dependencia esperada de${\displaystyle n_{\mathrm {ch} }/A\propto 1/\alpha _{s}(Q_{s}^{2})}$, lo que respalda las predicciones del modelo de condensado de vidrio de color . Para una discusión detallada, véase, por ejemplo, Dmitri Kharzeev et al. ^{[ 25 ]} Para una visión general de los condensados ​​de vidrio de color, véase, por ejemplo, Iancu y Venugopalan. ^{[ 26 ]}
• Relaciones de partículas. Las relaciones de partículas predichas por modelos estadísticos permiten calcular parámetros como la temperatura de congelación química T _ch y el potencial químico hadrónico.${\displaystyle \mu _{B}}$. El valor experimental T _ch varía un poco con el modelo utilizado, y la mayoría de los autores dan un valor de 160  MeV  < T _ch < 180 MeV, que está muy cerca del valor esperado de transición de fase de QCD de aproximadamente 170 MeV obtenido por cálculos de QCD en la red (ver, por ejemplo, Karsch ^{[ 27 ]} ).     

Si bien en los primeros años los teóricos se apresuraron a afirmar que RHIC había descubierto el plasma de quarks y gluones (por ejemplo, Gyulassy y McLarren ^{[ 28 ]} ), los grupos experimentales fueron más cautelosos y no sacaron conclusiones precipitadas, citando varias variables que aún necesitaban más mediciones. ^{[ 29 ]} Los resultados actuales muestran que la materia creada es un fluido con una viscosidad cercana al límite cuántico, pero es diferente de un plasma de interacción débil (una creencia generalizada, aunque no carente de fundamento cuantitativo, sobre cómo se ve el plasma de quarks y gluones).

Una visión general reciente del resultado físico se proporciona en las Evaluaciones Experimentales de RHIC 2004 Archivadas el 2 de febrero de 2017 en Wayback Machine , un esfuerzo de toda la comunidad de experimentos de RHIC para evaluar los datos actuales en el contexto de las implicaciones para la formación de un nuevo estado de la materia. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} Estos resultados son de los primeros tres años de recolección de datos en RHIC.

El 16 de febrero de 2010 se publicaron nuevos resultados en Physical Review Letters , que indicaban el descubrimiento de los primeros indicios de transformaciones de simetría , y que las observaciones podrían sugerir que las burbujas formadas tras las colisiones creadas en el RHIC podrían romper la simetría de paridad , que normalmente caracteriza las interacciones entre quarks y gluones . ^{[ 34 ] [ 35 ]}

Los físicos del RHIC anunciaron nuevas mediciones de temperatura para estos experimentos de hasta 4 billones de kelvin, la temperatura más alta jamás alcanzada en un laboratorio. ^{[ 36 ]} Se describe como una recreación de las condiciones que existieron durante el nacimiento del Universo . ^{[ 37 ]}

A finales de 2012, se solicitó al Comité Asesor de Ciencia Nuclear (NSAC) que asesorara a la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía y a la Fundación Nacional de Ciencias sobre cómo implementar el plan a largo plazo de ciencia nuclear redactado en 2007, en caso de que los presupuestos futuros para ciencia nuclear no presentaran crecimiento durante los próximos cuatro años. En una votación muy ajustada, el comité NSAC mostró una ligera preferencia, basada en consideraciones no científicas, ^{[ 38 ]} por cerrar el RHIC en lugar de cancelar la construcción de la Instalación para Haces de Isótopos Raros (FRIB). ^{[ 39 ]}

Para octubre de 2015, la situación presupuestaria había mejorado y RHIC continuó sus operaciones durante la década siguiente. ^{[ 40 ]}

El RHIC comenzó a operar en el año 2000 y, hasta noviembre de 2010, fue el colisionador de iones pesados ​​de mayor energía del mundo. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN , si bien se utiliza principalmente para colisionar protones, opera con iones pesados ​​durante aproximadamente un mes al año. El LHC ha operado con energías 25 veces mayores por nucleón. En 2018, el RHIC y el LHC eran los únicos colisionadores de hadrones en funcionamiento en el mundo.

Gracias a su mayor tiempo de funcionamiento anual, en RHIC se puede estudiar un mayor número de especies de iones en colisión y diferentes energías de colisión. Además, a diferencia del LHC, RHIC también puede acelerar protones con polarización de espín, lo que lo convierte en el acelerador de mayor energía del mundo para el estudio de la estructura de protones con polarización de espín.

Una mejora importante es el Colisionador Electrón-Ión ( EIC ), que incorpora un  haz de electrones de alta intensidad de 18 GeV, permitiendo colisiones electrón-ión. Será necesario construir al menos un nuevo detector para estudiar estas colisiones. Abhay Deshpande et al. publicaron una revisión al respecto en 2005. ^{[ 41 ]} Una descripción más reciente se encuentra en: ^{[ 42 ]}

El 9 de enero de 2020, Paul Dabbar, subsecretario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos, anunció que el diseño del BNL eRHIC había sido seleccionado para el futuro colisionador electrón-ión (EIC) en los Estados Unidos. Además de la selección del sitio, se anunció que el BNL EIC había obtenido la certificación CD-0 (necesidad de la misión) del Departamento de Energía. ^{[ 43 ]}

Antes de que RHIC comenzara a operar, los críticos postularon que la energía extremadamente alta podría producir escenarios catastróficos, ^{[ 44 ]} como la creación de un agujero negro , una transición a un vacío mecánico cuántico diferente (véase vacío falso ) o la creación de materia extraña más estable que la materia ordinaria . Estas hipótesis son complejas, pero muchas predicen que la Tierra sería destruida en un lapso de tiempo que va desde segundos hasta milenios, dependiendo de la teoría considerada. Sin embargo, el hecho de que objetos del Sistema Solar (por ejemplo, la Luna) hayan sido bombardeados con partículas cósmicas de energías significativamente mayores que las de RHIC y otros colisionadores artificiales durante miles de millones de años, sin ningún daño al Sistema Solar, fue uno de los argumentos más contundentes para demostrar que estas hipótesis carecían de fundamento. ^{[ 45 ]}

La otra cuestión principal y controvertida fue la exigencia de los críticos de que los físicos excluyeran razonablemente la probabilidad de un escenario tan catastrófico. Los físicos no pueden demostrar, mediante pruebas experimentales ni astrofísicas , una probabilidad cero de eventos catastróficos, ni que mañana la Tierra vaya a ser alcanzada por un rayo cósmico apocalíptico ( solo pueden calcular un límite superior para la probabilidad). El resultado serían los mismos escenarios destructivos descritos anteriormente, aunque obviamente no causados ​​por humanos. Según este argumento de límites superiores, el RHIC aún modificaría la probabilidad de supervivencia de la Tierra en una cantidad infinitesimal.

Se plantearon inquietudes en relación con el acelerador de partículas RHIC, tanto en los medios de comunicación ^{[ 46 ] [ 47 ]} como en los medios de divulgación científica. ^{[ 48 ]} Martin Rees indicó , con respecto al RHIC, que el riesgo de un escenario apocalíptico era de al menos 1 entre 50.000.000 de probabilidades. ^{[ 49 ]} En cuanto a la producción de strangelets , Frank Close , profesor de física en la Universidad de Oxford , indica que "la probabilidad de que esto ocurra es como ganar el premio mayor de la lotería tres semanas seguidas; el problema es que la gente cree que es posible ganar la lotería tres semanas seguidas". ^{[ 47 ]} Tras estudios detallados, los científicos llegaron a conclusiones como "más allá de toda duda razonable, los experimentos con iones pesados ​​en el RHIC no pondrán en peligro nuestro planeta" ^{[ 50 ]} y que existe "una sólida evidencia empírica en contra de la posibilidad de una producción peligrosa de strangelets". ^{[ 45 ]}

El debate comenzó en 1999 con un intercambio de cartas en Scientific American entre Walter L. Wagner y F. Wilczek , ^{[ 51 ]} en respuesta a un artículo anterior de M. Mukerjee. ^{[ 52 ]} La atención de los medios se desarrolló con un artículo en el Sunday Times del Reino Unido del 18 de julio de 1999, por J. Leake, ^{[ 53 ]} seguido de cerca por artículos en los medios de comunicación estadounidenses. ^{[ 54 ]} La controversia terminó en gran medida con el informe de un comité convocado por el director del Laboratorio Nacional de Brookhaven, JH Marburger , que aparentemente descartó los escenarios catastróficos descritos. ^{[ 45 ]} Sin embargo, el informe dejó abierta la posibilidad de que los productos de impacto de rayos cósmicos relativistas pudieran comportarse de manera diferente al transitar la Tierra en comparación con los productos RHIC "en reposo"; y la posibilidad de que la diferencia cualitativa entre las colisiones de protones de alta E con la Tierra o la Luna pudiera ser diferente a las colisiones de oro con oro en el RHIC. Posteriormente, Wagner intentó impedir la colisión a plena energía en RHIC presentando demandas federales en San Francisco y Nueva York, pero sin éxito. ^{[ 55 ]} La demanda de Nueva York fue desestimada por el tecnicismo de que la demanda de San Francisco era el foro preferido. La demanda de San Francisco fue desestimada, pero con permiso para volver a presentarla si se desarrollaba y presentaba información adicional ante el tribunal. ^{[ 56 ]}

El 17 de marzo de 2005, la BBC publicó un artículo que implicaba que el investigador Horaţiu Năstase creía que se habían creado agujeros negros en RHIC. ^{[ 57 ]} Sin embargo, los artículos originales de H. Năstase ^{[ 58 ]} y el artículo de New Scientist ^{[ 59 ]} citados por la BBC afirman que la correspondencia de la materia QCD densa y caliente creada en RHIC con un agujero negro es solo en el sentido de una correspondencia de dispersión QCD en el espacio de Minkowski y dispersión en el espacio AdS ₅  × X ₅ en AdS/CFT ; en otras palabras, es similar matemáticamente. Por lo tanto, las colisiones de RHIC podrían describirse mediante matemáticas relevantes para las teorías de gravedad cuántica dentro de AdS/CFT, pero los fenómenos físicos descritos no son los mismos. 

El proyecto RHIC fue patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos , Oficina de Ciencia, Oficina de Física Nuclear. Tuvo un presupuesto asignado de 616,6 millones de dólares estadounidenses. ^{[ 1 ]}

Para el año fiscal 2006, el presupuesto operativo se redujo en 16,1 millones de dólares estadounidenses con respecto al año anterior, hasta alcanzar los 115,5 millones de dólares estadounidenses. Si bien la operación bajo el recorte del presupuesto federal del año fiscal 2006 ^{[ 60 ] [ 61 ]} era incierta, una parte importante del costo operativo (13 millones de dólares estadounidenses) fue aportada por un grupo privado cercano a Renaissance Technologies de East Setauket, Nueva York . ^{[ 62 ] [ 63 ]}

• La novela Cosm ( ISBN) 0-380-79052-1La obra del autor estadounidense Gregory Benford se desarrolla en RHIC. La ambientación de ciencia ficción describe al personaje principal, Alicia Butterworth, una física del experimento BRAHMS, y un nuevo universo que se crea accidentalmente en RHIC mientras se manipulan iones de uranio . ^{[ 64 ]}
• La novela de apocalipsis zombi The Rising del autor estadounidense Brian Keene hizo referencia a las preocupaciones de los medios sobre la activación del RHIC planteadas por el artículo de J. Leake en The Sunday Times del 18 de julio de 1999. ^{[ 53 ]} Como se revela muy pronto en la historia, los efectos secundarios de los experimentos del colisionador del RHIC (ubicado en los "Laboratorios Nacionales Havenbrook") fueron la causa del levantamiento zombi en la novela y su secuela City of the Dead .

• El proyecto ISABELLE
• Gran Colisionador de Hadrones

• M. Harrison; T. Ludlam; S. Ozaki (2003). "El proyecto del Colisionador Relativista de Iones Pesados: RHIC y sus detectores" . Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 499 ( 2–3 ) : 235–880 . Bibcode : 2003NIMPA.499..235H . doi : 10.1016/S0168-9002(02)01937-X .Los preprints están disponibles en

• BRAHMS Archivado el 16/07/2018 en Wayback Machine
• PHENIX Archivado el 22/05/2017 en Wayback Machine
• PHOBOS archivado el 17/02/2013 en Wayback Machine
• ESTRELLA

• Contenido multimedia relacionado con el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​en Wikimedia Commons.
• Departamento de Colisionadores y Aceleradores del Laboratorio Nacional de Brookhaven
• Colisionador de iones pesados ​​relativistas
• Colisionador de iones pesados ​​relativistas en Google Maps
• Resumen de la carrera RHIC