Colisionador relativista de iones pesados

Acelerador de partículas en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, EE.UU.

Acelerador de partículas

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 Brookhaven (BNL) en Upton, Nueva York , y utilizado por un equipo internacional de investigadores, es el único colisionador de partículas en funcionamiento en Estados Unidos. ^{[1] [2] [3]} Al utilizar RHIC para colisionar iones que viajan a velocidades relativistas , los físicos estudian la forma primordial de materia que existió en el universo poco después del Big Bang . ^{[4] [5]} Al colisionar protones polarizados por espín, se explora la estructura de espín del protón .

Desde 2019, el RHIC es el segundo colisionador de iones pesados ​​con mayor energía del mundo, con energías de nucleones para colisiones que alcanzan los 100 GeV para los iones de oro y los 250 GeV para los protones. ^[6] A partir del 7 de noviembre de 2010, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha hecho colisionar iones pesados ​​de plomo a energías más altas que el RHIC. ^[7] El tiempo de funcionamiento 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 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 resultaron en la ruptura de " materia normal" y la creación de un plasma de quarks-gluones similar a un líquido . ^[8]

En enero de 2020, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. seleccionó el diseño eRHIC para el futuro colisionador de electrones e iones (EIC), basándose en las instalaciones RHIC existentes en BNL.

el acelerador

RHIC es un acelerador de partículas con anillos de almacenamiento que se cruzan . 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 con carga positiva en colisión (la actualización eRHIC permitirá colisiones entre partículas con carga positiva y negativa ). El anillo de almacenamiento doble RHIC tiene forma hexagonal y una circunferencia de3834 m , con bordes curvos en los que las partículas almacenadas son desviadas y enfocadas por 1.740 imanes superconductores que utilizan conductores de niobio-titanio . Los imanes dipolares funcionan a3,45  toneladas . ^[9] Los seis puntos de interacción (entre las partículas que circulan en los dos anillos) están en el medio de las seis secciones relativamente rectas, donde los dos anillos se cruzan, permitiendo que las partículas choquen. 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 PHENIX, se encuentran a las 6 y 8 horas respectivamente. El experimento PHENIX se encuentra actualmente en una importante actualización para convertirse en sPHENIX. ^[10]

Una partícula pasa por varias etapas de impulsores antes de llegar al anillo de almacenamiento RHIC. La primera etapa para los iones es la fuente de iones por haz de electrones (EBIS), mientras que para los protones, la Se utiliza un acelerador lineal de 200  MeV (Linac). Por 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 despojados del átomo de oro). Luego, el sincrotrón Booster acelera las partículas para100 MeV por nucleón, lo 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 (no quedan electrones) 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 y U + U . Los proyectiles suelen viajar a una velocidad del 99,995% de la velocidad de la luz . Para colisiones Au + Au , la energía del centro de masa suele ser200 GeV por par de nucleones , y era tan bajo como7,7 GeV por par de nucleones . Una luminosidad promedio deDurante la planificación se apuntó a 2 × 10 ²⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹ . La luminosidad promedio actual Au + Au del colisionador ha alcanzado87 × 10 ²⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹ , 44 veces el valor de diseño. ^[11] La luminosidad de los iones pesados ​​aumenta sustancialmente mediante el enfriamiento estocástico . ^[12]

Una característica única de RHIC es su capacidad de colisionar protones polarizados. RHIC tiene el récord de haces de protones polarizados de mayor energía. Los protones polarizados se inyectan en RHIC y preservan este estado durante toda la rampa de energía. Esta es una tarea difícil que se logra con la ayuda de imanes en forma de sacacorchos llamados 'serpientes siberianas' (en RHIC, una cadena de 4 imanes dipolo helicoidales ). El sacacorchos induce al campo magnético a formar una espiral a lo largo de la dirección del haz ^[13] Run-9 logró una energía de centro de masa de500 GeV el 12 de febrero de 2009. ^[14] En Run-13, la luminosidad p + p promedio del colisionador alcanzó160 × 10 ³⁰  cm ⁻² ⋅s ⁻¹ , con una polarización promediada en tiempo e intensidad del 52%. ^[11]

Los dipolos de CA se han utilizado por primera vez en el diagnóstico de máquinas no lineales en RHIC. ^[15]

• Componentes del acelerador
• 
  El sistema de refrigeración de helio de 25 MW que enfría los imanes superconductores hasta la temperatura de funcionamiento de 4,5 K ^[16]
• 
  Un imán dipolo de arco. Ranuras de bus eléctrico (superior e inferior) y tubo de viga (centro) en la sección superior de la carcasa de vacío ^[17]
• 
  Curvatura del tubo del haz vista a través de los extremos de un imán dipolo de arco
• 
  Dos anillos aceleradores principales dentro del túnel RHIC
• 
  detector de ESTRELLA
• 
  Un sensor de detector de vértice de silicio delantero (FVTX) del detector PHENIX en un microscopio ^[18]

los experimentos

Una vista de las colisiones de iones de oro capturadas por el detector STAR.

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

Entre los dos detectores más grandes, STAR está destinado 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 se especializa además en la detección de partículas raras y electromagnéticas, utilizando un detector parcial. sistema detector de cobertura en un campo magnético axial generado superconductivamente. 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 multiplicidad de partículas en masa, mientras que BRAHMS está diseñado para espectroscopia de impulso, con el fin de estudiar la llamada " x pequeña " y la física de saturación. . Hay un experimento adicional, PP2PP (ahora parte de STAR), que investiga la dependencia del espín en la dispersión p + p . ^[19]

Los portavoces de cada uno de los experimentos son:

• ESTRELLA : Frank Geurts ( Universidad Rice ) y Lijuan Ruan ( Laboratorio Nacional Brookhaven )
• FÉNIX : Yasuyuki Akiba ( Riken )
• SPHENIX: Gunter Roland ( MIT ) y David Morrison ( Laboratorio Nacional Brookhaven )

Resultados actuales

Para el objetivo experimental de crear y estudiar el plasma de quarks y gluones, RHIC tiene la capacidad única de proporcionar mediciones de referencia por sí mismo. Esto consiste en combinaciones de proyectiles de menor energía y también de menor número de masa 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: ^[20]

• Anisotropía colectiva o flujo elíptico . La mayor parte de las partículas con momentos más bajos se emiten siguiendo una distribución angular ( p _T es el momento transversal, 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 de la propiedad hidrodinámica de la materia creada. ${\displaystyle dn/d\phi \propto 1+2v_{2}(p_{\mathrm {T} })\cos 2\phi }$ ${\displaystyle \phi }$
• Enfriamiento por chorro . En el caso de colisión de iones pesados, la dispersión con una p _T transversal alta puede servir como sonda para la materia QCD caliente, ya que pierde su energía mientras viaja a través del medio. Experimentalmente, la cantidad R _AA ( A es el número de masa), siendo el cociente del rendimiento del chorro observado en las colisiones A  +  A y N _bin  × rendimiento en las colisiones p + p, muestra una fuerte amortiguación al aumentar A , lo cual es una indicación de la nueva propiedades de la materia QCD caliente creada.
• Saturación de condensado de vidrio de color . La dinámica Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov (BFKL) ^[21], que es el resultado de una resumen de términos logarítmicos grandes en Q ² para dispersión inelástica profunda con Bjorken- x pequeño , satura en un límite de unitaridad, con N _parte /2 siendo el número de nucleones participantes en una colisión (a diferencia del número de colisiones binarias). La multiplicidad cargada observada sigue la dependencia esperada de, lo que respalda las predicciones del modelo de condensado de vidrio de color . Para una discusión detallada, véase, por ejemplo, Dmitri Kharzeev et al. ; ^[22] para una descripción general de los condensados ​​de vidrio de color, consulte, por ejemplo, Iancu & Venugopalan. ^[23] ${\displaystyle Q_{s}^{2}\propto \langle N_{\mathrm {part} }\rangle /2}$ ${\displaystyle n_{\mathrm {ch} }/A\propto 1/\alpha _{s}(Q_{s}^{2})}$
• Relaciones de partículas. Las proporciones de partículas predichas por los modelos estadísticos permiten el cálculo de parámetros como la temperatura de congelación química T _ch y el potencial químico de hadrones . El valor experimental T _ch varía un poco según 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 QCD de aproximadamente 170 MeV obtenido mediante cálculos de QCD reticular ( véase, por ejemplo, Karsch ^[24] ). ${\displaystyle \mu _{B}}$

Mientras que en los primeros años los teóricos estaban ansiosos por afirmar que el RHIC había descubierto el plasma de quarks y gluones (por ejemplo, Gyulassy y McLarren ^[25] ), los grupos experimentales tuvieron más cuidado de no sacar conclusiones precipitadas, citando varias variables que aún necesitaban más análisis. medición. ^[26] Los resultados actuales muestran que la materia creada es un fluido con una viscosidad cercana al límite cuántico, pero no se parece a un plasma que interactúa débilmente (una creencia generalizada pero no cuantitativamente infundada sobre cómo se ve el plasma de quarks-gluones).

Las evaluaciones experimentales de RHIC 2004 proporcionan una descripción general reciente del resultado de la física. Archivado el 2 de febrero de 2017 en Wayback Machine , un esfuerzo comunitario de experimentos de RHIC para evaluar los datos actuales en el contexto de las implicaciones para la formación de un nuevo estado. de importancia. ^{[27] [28] [29] [30]} Estos resultados son de los primeros tres años de recopilación de datos en RHIC.

Se publicaron nuevos resultados en Physical Review Letters el 16 de febrero de 2010, indicando el descubrimiento de los primeros indicios de transformaciones de simetría , y que las observaciones pueden sugerir que las burbujas formadas después de las colisiones creadas en el RHIC pueden romper la simetría de paridad , lo que Normalmente caracteriza las interacciones entre quarks y gluones . ^{[31] [32]}

Los físicos del RHIC anunciaron nuevas mediciones de temperatura para estos experimentos de hasta 4 billones de grados Kelvin, la temperatura más alta jamás alcanzada en un laboratorio. ^[33] Se describe como una recreación de las condiciones que existieron durante el nacimiento del Universo . ^[34]

Posible cierre en escenarios de presupuesto plano para ciencia nuclear

A finales de 2012, se pidió al Comité Asesor de Ciencias Nucleares (NSAC) que asesorara a la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía y a la Fundación Nacional de Ciencias sobre cómo implementar el plan de largo plazo de ciencia nuclear escrito en 2007, si los futuros presupuestos de ciencia nuclear continúan sin proporcionar crecimiento en los próximos cuatro años. En una votación decidida por estrecho margen, el comité NSAC mostró una ligera preferencia, basada en consideraciones no relacionadas con la ciencia, ^[35] por cerrar el RHIC en lugar de cancelar la construcción de la Instalación para Haces de Isótopos Raros (FRIB). ^[36]

En octubre de 2015, la situación presupuestaria había mejorado y RHIC puede continuar sus operaciones durante la próxima década. ^[37]

El futuro

El RHIC comenzó a funcionar en 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 , aunque se utiliza principalmente para la colisión de protones, funciona con iones pesados ​​durante aproximadamente un mes al año. El LHC ha funcionado con energías por nucleón 25 veces superiores. A partir de 2018, RHIC y el LHC son los únicos colisionadores de hadrones en funcionamiento en el mundo.

Debido al mayor tiempo de funcionamiento por año, en el RHIC se puede estudiar un mayor número de especies de iones en colisión y energías de colisión. Además, a diferencia del LHC, el RHIC también es capaz de acelerar protones polarizados por espín, lo que dejaría al RHIC como el acelerador de mayor energía del mundo para estudiar la estructura de los protones polarizados por espín.

Una mejora importante es el Colisionador de Iones-Electrones ( EIC ), la adición de una instalación de haz de electrones de alta intensidad de 18 GeV, que permite colisiones entre iones y electrones. Será necesario construir al menos un nuevo detector para estudiar las colisiones. Abhay Deshpande et al. publicaron una revisión. en 2005. ^[38] Una descripción más reciente se encuentra en: ^[39]

El 9 de enero de 2020, Paul Dabbar, subsecretario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., anunció que el diseño BNL eRHIC había sido seleccionado para el futuro colisionador de iones de electrones (EIC) en los Estados Unidos. Además de la selección del sitio, se anunció que BNL EIC había adquirido CD-0 (necesidad de misión) del Departamento de Energía. ^[40]

Críticos de los experimentos de alta energía.

Antes de que el RHIC comenzara a funcionar, los críticos postularon que la energía extremadamente alta podría producir escenarios catastróficos, ^[41] como la creación de un agujero negro , una transición a un vacío mecánico cuántico diferente (ver falso vacío ), o la creación de materia extraña que es 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 más altas que las del RHIC y otros colisionadores fabricados por el hombre durante miles de millones de años, sin ningún daño para el Sistema Solar, fue Entre los argumentos más llamativos se encuentra el de que estas hipótesis eran infundadas. ^[42]

El otro tema controvertido principal fue la exigencia de los críticos ^{[ cita necesaria ]} de que los físicos excluyeran razonablemente la probabilidad de un escenario tan catastrófico. Los físicos no pueden demostrar las limitaciones experimentales y astrofísicas de la probabilidad cero de eventos catastróficos, ni que mañana la Tierra será impactada por un rayo cósmico " apocalíptico " (sólo 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 los límites superiores, el RHIC aún modificaría las posibilidades de supervivencia de la Tierra en una cantidad infinitesimal.

En relación con el acelerador de partículas RHIC surgieron preocupaciones tanto en los medios de comunicación ^{[43] [44]} como en los medios de divulgación científica. ^[45] El riesgo de un escenario apocalíptico fue indicado por Martin Rees , con respecto al RHIC, como una probabilidad de al menos 1 entre 50.000.000. ^[46] Con respecto a la producción de Strangelets , Frank Close , profesor de física en la Universidad de Oxford , indica que "la posibilidad de que esto suceda es como si ganaras el premio mayor de la lotería 3 semanas seguidas; el problema es que La gente cree que es posible ganar la lotería 3 semanas seguidas." ^[44] Después de estudios detallados, los científicos llegaron a conclusiones tales como que "más allá de toda duda razonable, los experimentos con iones pesados ​​en RHIC no pondrán en peligro nuestro planeta" ^[47] y que existe "poderosa evidencia empírica contra la posibilidad de una peligrosa producción de extraños". ^[42]

El debate comenzó en 1999 con un intercambio de cartas en Scientific American entre Walter L. Wagner y F. Wilczek , ^[48] en respuesta a un artículo anterior de M. Mukerjee. ^[49] La atención de los medios se desarrolló con un artículo en el Sunday Times del Reino Unido del 18 de julio de 1999, escrito por J. Leake, ^[50] seguido de cerca por artículos en los medios estadounidenses. ^[51] La controversia terminó en su mayor parte con el informe de un comité convocado por el director del Laboratorio Nacional Brookhaven, JH Marburger , que aparentemente descartaba los escenarios catastróficos descritos. ^[42] Sin embargo, el informe dejó abierta la posibilidad de que los productos relativistas de impacto de rayos cósmicos pudieran comportarse de manera diferente mientras transitan por 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 pueda ser diferente de las colisiones de oro contra oro en el RHIC. Posteriormente, Wagner intentó detener la colisión de energía total en RHIC presentando demandas federales en San Francisco y Nueva York, pero sin éxito. ^[52] 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 al tribunal. ^[53]

El 17 de marzo de 2005, la BBC publicó un artículo que insinuaba que el investigador Horaţiu Năstase cree que se han creado agujeros negros en el RHIC. ^[54] Sin embargo, los artículos originales de H. Năstase ^[55] y el artículo de New Scientist ^{[56] citado por la BBC afirman que la correspondencia de la} materia QCD densa y caliente creada en RHIC con un agujero negro es sólo 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 matemáticamente similar. Por lo tanto, las colisiones RHIC podrían describirse mediante matemáticas relevantes para las teorías de la gravedad cuántica dentro de AdS/CFT, pero los fenómenos físicos descritos no son los mismos.

Información financiera

El proyecto RHIC fue patrocinado por la Oficina de Ciencias, Oficina de Física Nuclear del Departamento de Energía de los Estados Unidos . Tenía un presupuesto por partidas individuales de 616,6 millones de dólares estadounidenses. ^[1]

Para el año fiscal 2006, el presupuesto operativo se redujo en 16,1 millones de dólares respecto del año anterior, hasta 115,5 millones de dólares. Aunque la operación bajo el recorte del presupuesto federal del año fiscal 2006 ^{[57] [58]} era incierta, una parte clave del costo operativo (13 millones de dólares estadounidenses) fue aportada de forma privada por un grupo cercano a Renaissance Technologies de East Setauket, Nueva York . ^{[59] [60]}

En ficción

• En RHIC tiene lugar la novela Cosm ( ISBN  0-380-79052-1 ) del autor estadounidense Gregory Benford . El escenario de ciencia ficción describe al personaje principal Alicia Butterworth, una física del experimento BRAHMS, y un nuevo universo que se crea en RHIC por accidente, mientras funciona con iones de uranio . ^[61]
• La novela de apocalipsis zombie The Rising del autor estadounidense Brian Keene hizo referencia a las preocupaciones de los medios sobre la activación del RHIC planteadas por el artículo publicado en The Sunday Times del 18 de julio de 1999 por J. Leake. ^[50] Como se reveló muy al principio de la historia, los efectos secundarios de los experimentos del colisionador del RHIC (ubicado en los "Laboratorios Nacionales Havenbrook") fueron la causa del levantamiento zombie en la novela y su secuela Ciudad de los Muertos .
• En la serie de novelas Rayloria's Memory del autor estadounidense Othello Gooden Jr, que comienza con Raylorian Dawn ( ISBN 1466328681 ), se observa que cada ciudad lunar y su estación espacial funcionan con un RHIC. 

Ver también

• El Proyecto ISABELLE
• Gran Colisionador de Hadrones

Referencias

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Otras lecturas

• señor Harrison; T. Ludlam; S. Ozaki (2003). "El proyecto del colisionador relativista de iones pesados: RHIC y sus detectores". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física A. 499 (2–3): 235–880. Código Bib : 2003NIMPA.499..235H. doi :10.1016/S0168-9002(02)01937-X.Las preimpresiones están disponibles en

• BRAHMS Archivado el 16 de julio de 2018 en la Wayback Machine.
• PHENIX Archivado el 22 de mayo de 2017 en la Wayback Machine.
• FOBOS Archivado el 17 de febrero de 2013 en la Wayback Machine.
• ESTRELLA

enlaces externos

• Medios relacionados con el colisionador relativista de iones pesados ​​en Wikimedia Commons
• Departamento de Acelerador-Colisionador del Laboratorio Nacional de Brookhaven
• Colisionador relativista de iones pesados
• Colisionador relativista de iones pesados ​​en Google Maps
• Descripción general de la ejecución de RHIC