La física nuclear de altas energías estudia el comportamiento de la materia nuclear en regímenes energéticos propios de la física de altas energías . El objetivo principal de este campo es el estudio de las colisiones de iones pesados, en comparación con átomos más ligeros en otros aceleradores de partículas . Con energías de colisión suficientes, se teoriza que este tipo de colisiones producen el plasma de quarks-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 colisionadores electrón-positrón debido a sus luminosidades mucho más pequeñas. [1] [2] [3]
Experimentos anteriores con aceleradores nucleares de alta energía 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. 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 simétrica de haces de oro sobre objetivos de oro en el Sincrotrón de gradiente alterno (AGS) del Laboratorio Nacional Brookhaven y haces de uranio sobre objetivos de uranio en el Sincrotrón Súper de Protones del CERN. .
Los experimentos de física nuclear de alta energía continúan en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional 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 objetivos fijos, los experimentos con colisionadores dirigen dos haces de iones acelerados entre sí en (en el caso de RHIC) seis regiones de interacción. En RHIC, los iones se pueden acelerar (dependiendo del tamaño del ión) desde 100 GeV/nucleón hasta 250 GeV/nucleón. Dado que cada ion en colisión posee esta energía y se mueve en direcciones opuestas, la energía máxima de las colisiones puede alcanzar una energía de colisión del 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 estudiar las colisiones de núcleos de Pb-Pb con una energía de centro de masa 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 realizado por Enrico Fermi en Estados Unidos 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 desarrollos llevaron a la búsqueda y descubrimiento del plasma de quarks-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 modestamente relativistas se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL, anteriormente LBL) en Berkeley , California, EE.UU., y en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear (JINR) en Dubna , Óblast de Moscú, URSS. En el LBL se construyó una línea de transporte para transportar iones pesados desde el acelerador de iones pesados HILAC al Bevatron . La escala de energía al nivel de 1 a 2 GeV por nucleón alcanzada inicialmente produce materia nuclear comprimida con una densidad nuclear pocas veces mayor a la 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 con colisionadores comenzaron en 1999 en el RHIC, y el LHC comenzó a colisionar iones pesados con un orden de magnitud de energía 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, aproximadamente 1.500 veces la energía equivalente de la masa en reposo. En total, 1250 quarks de valencia chocan, 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 supera significativamente la energía en reposo , como es el caso en el LHC. El resultado de tales colisiones es la producción de muchísimas 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 Kelvin , 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 grados Kelvin, logrado en los experimentos de 2010 en el Laboratorio Nacional 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]
Hay varios objetivos científicos de este programa de investigación internacional:
Este programa experimental sigue a una década de investigación en el colisionador RHIC en BNL y casi dos décadas de estudios utilizando objetivos 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 alcanzar la fase QGP. Se creó un rango de temperatura típico logrado en el QGP.
Es mas que100.000 veces mayor que en el centro del Sol . Esto corresponde a una densidad de energía.
La presión de materia relativista correspondiente es
