Un experimento de objetivo fijo en física de partículas es un experimento en el que un haz de partículas aceleradas choca con un objetivo estacionario. El haz en movimiento (también conocido como proyectil) consta de partículas cargadas como electrones o protones y se acelera a velocidad relativista . El objetivo fijo puede ser un bloque sólido o un medio líquido o gaseoso. [1] [2] Estos experimentos son distintos de los experimentos de tipo colisionador en los que dos haces de partículas en movimiento se aceleran y chocan. El famoso experimento de la lámina de oro de Rutherford , realizado entre 1908 y 1913, fue uno de los primeros experimentos de objetivo fijo, en el que las partículas alfa se dirigían a una fina lámina de oro. [1] [3] [4]
La energía involucrada en un experimento de objetivo fijo es 4 veces menor en comparación con la de un colisionador con haces duales de la misma energía. [5] [6] Además, en los experimentos de colisionador, la energía de dos haces está disponible para producir nuevas partículas, mientras que en el caso de objetivo fijo, se gasta mucha energía simplemente en dar velocidad a las partículas recién creadas. Esto implica claramente que los experimentos de objetivo fijo no son útiles cuando se trata de aumentar las escalas de energía de los experimentos. [3] [7] La fuente objetivo también se desgasta con el número de impactos y, por lo general, requiere un reemplazo regular. Los experimentos actuales de objetivo fijo intentan utilizar materiales altamente resistentes, pero el daño no se puede evitar por completo. [8]
Los experimentos de objetivo fijo tienen una ventaja significativa para los experimentos que requieren mayor luminosidad (tasa de interacción). [5] [9] El Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad , que es una próxima versión mejorada del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN , alcanzará una luminosidad total integrada de alrededor de en su ejecución. [10] Mientras que la escala de luminosidad de alrededor de ya ha sido alcanzada por experimentos de objetivo fijo más antiguos, como el E288 dirigido por Leon Lederman en Fermilab . [3] [11] Otra ventaja de los experimentos de objetivo fijo es que son más fáciles y económicos de construir en comparación con los aceleradores colisionadores. [5]
El experimento de la lámina de oro de Rutherford, que condujo al descubrimiento de que la masa y la carga positiva de un átomo se concentraban en un núcleo pequeño, fue probablemente el primer experimento de objetivo fijo. La segunda mitad del siglo XX vio el surgimiento de instalaciones de física nuclear y de partículas, como el Super Sincrotrón de Protones (SPS) del CERN y el Tevatrón del Fermilab , donde una serie de experimentos de objetivo fijo condujeron a nuevos descubrimientos. Se llevaron a cabo 43 experimentos de objetivo fijo en el Tevatrón durante su período de funcionamiento de 1983 a 2000. [12] Mientras que los haces de protones y otros haces del SPS todavía se utilizan en experimentos de objetivo fijo como NA61/SHINE y la colaboración COMPASS . También se está planeando una instalación de objetivo fijo en el LHC , llamada AFTER@LHC. [13] [14]
Los experimentos de objetivo fijo se implementan principalmente para los estudios intensivos de procesos raros, dinámicas a alto Bjorken x, física difractiva, correlaciones de espín y numerosos fenómenos nucleares. [13] [14]
Los experimentos en las instalaciones Tevatron de Fermilab cubrieron una amplia gama de dominios de la física, como la prueba de las predicciones teóricas de la teoría de la cromodinámica cuántica , estudios de la estructura del protón , el neutrón y los mesones , y estudios de quarks pesados como el charm y el bottom . Varios experimentos analizaron pruebas de simetría CP . Algunas colaboraciones también estudiaron los hiperones y los neutrinos creados en configuraciones de objetivo fijo. [12] [15]
El NA61/SHINE en el SPS estudia las transiciones de fase en materia que interactúa fuertemente y la física relacionada con el inicio del confinamiento . [16] Mientras que el experimento COMPASS investiga la estructura de los hadrones . [17]
AFTER@LHC tiene como objetivo el estudio de la distribución de gluones y quarks dentro de protones y neutrones utilizando instalaciones de objetivo fijo. [13] También existen posibilidades de observar los bosones W y Z. [18] También se están estudiando la observación y el estudio de la producción del par Drell-Yan y del quarkonium . [14]
Por lo tanto, el número de opciones disponibles para explorar la física extrema y rara en los experimentos de objetivo fijo es numeroso.
