Colisionador relativista de iones pesados

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

Acelerador de partículas

El Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas ( RHIC / ˈ r ɪ k / ) es el primero y uno de los dos únicos colisionadores de iones pesados ​​operativos , y el único colisionador de protones con espín polarizado 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 operativo 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 materia que existía en el universo poco después del Big Bang . ^{[4] [5]} Al colisionar protones con espín polarizado, se explora la estructura de espín del protón .

El RHIC es, a partir de 2019, el segundo colisionador de iones pesados ​​de mayor energía del mundo, con energías de nucleones para colisiones que alcanzan 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 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 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 descomposición 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 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 entrecruzan . Dos anillos independientes (denominados arbitrariamente como "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 que colisionen (la actualización eRHIC permitirá colisiones entre partículas con carga positiva y negativa). El anillo de almacenamiento doble RHIC tiene forma hexagonal y una circunferencia de 1,5 m.3834 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 operan a3,45  T. ^[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, lo que permite que las partículas colisionen. Los puntos de interacción se enumeran por posiciones del reloj, con la inyección cerca de las 6 en punto. Dos grandes experimentos, STAR y sPHENIX, están ubicados a las 6 y 8 en punto respectivamente. El experimento sPHENIX es el experimento más nuevo que se ha construido en RHIC, reemplazando a PHENIX en la posición de las 8 en punto. ^[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 (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 los 79 electrones extraídos del átomo de oro). Las partículas son aceleradas por el sincrotrón Booster para100 MeV por nucleón, que inyecta el proyectil ahora con Q  = +77 en el Sincrotrón de Gradiente Alterno (AGS), antes de que finalmente lleguen8,86 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 el 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 viajan típicamente a una velocidad del 99,995 % de la velocidad de la luz . Para las colisiones Au + Au , la energía del centro de masas es típicamente200 GeV por par de nucleones , y era tan bajo como7,7 GeV por par de nucleones . Una luminosidad media deDurante la planificación se apuntó a 2 × 10 ²⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹ . La luminosidad media 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 enfriamiento estocástico . ^[12]

Una característica única del RHIC es su capacidad de colisionar protones polarizados. El RHIC tiene el récord de haces de protones polarizados de mayor energía. Los protones polarizados se inyectan en el 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 un sistema magnético en espiral llamado "serpientes siberianas" (en el RHIC, una cadena de 4 imanes dipolares helicoidales ). El sacacorchos induce al campo magnético a girar en espiral a lo largo de la dirección del haz ^[13]. La ejecución 9 logró una energía del 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 promedio en tiempo e intensidad del 52%. ^[11]

Los dipolos de CA se han utilizado en el diagnóstico de máquinas no lineales por primera vez 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 dipolar de arco. Ranuras de bus eléctrico (arriba y abajo) y tubo de haz (en el medio) en la sección superior de la carcasa de vacío ^[17]
• 
  Curvatura del tubo del haz visto a través de los extremos de un imán dipolar de arco
• 
  Dos anillos aceleradores principales dentro del túnel RHIC
• 
  Detector de estrellas
• 
  Un sensor de detector de vértices 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.

En el RHIC funcionan actualmente dos detectores : STAR (a las 6 en punto y cerca de la línea de transferencia AGS-RHIC) y sPHENIX (a las 8 en punto), el sucesor de PHENIX . PHOBOS (a las 10 en punto) completó 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 de tiempo que cubren un gran ángulo sólido y en un campo magnético solenoidal generado convencionalmente , mientras que PHENIX está especializado además en la detección de partículas raras y electromagnéticas, utilizando un sistema de detector de cobertura parcial en un campo magnético axial generado superconductivamente. Los detectores más pequeños tienen una cobertura de pseudorapidez más grande , PHOBOS tiene la cobertura de pseudorapidez más grande de todos los detectores, y está adaptado para la medición de multiplicidad de partículas a granel, 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 . ^[19]

Los portavoces de cada uno de los experimentos son:

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

Resultados actuales

Para el objetivo experimental de crear y estudiar el plasma de quarks y gluones, el RHIC tiene la capacidad única de proporcionar mediciones de referencia para sí mismo. Esto consiste tanto en las combinaciones de proyectiles de menor energía como 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 de 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 menor momento 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. ${\displaystyle dn/d\phi \propto 1+2v_{2}(p_{\mathrm {T} })\cos 2\phi }$ ${\displaystyle \phi }$
• Extinción de chorro . En el evento de colisión de iones pesados, la dispersión con un p _T transversal alto puede servir como sonda para la materia caliente de QCD, ya que pierde su energía mientras viaja a través del medio. Experimentalmente, la cantidad R _AA ( A es el número másico) que es el cociente del rendimiento de chorro observado en colisiones 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 caliente de QCD creada.
• Saturación del condensado de vidrio coloreado . La dinámica de Balitsky–Fadin–Kuraev–Lipatov (BFKL) ^[21], que es el resultado de una suma de términos logarítmicos grandes ln (1/x) para dispersión inelástica profunda con Bjorken- x pequeño , se satura en un límite de unitaridad, con N _parte /2 siendo el número de nucleones participantes en una colisión (en oposición al número de colisiones binarias). La multiplicidad cargada observada sigue la dependencia esperada de, lo que respalda las predicciones del modelo de condensado de vidrio coloreado . Para una discusión detallada, véase, por ejemplo, Dmitri Kharzeev et al. ; ^[22] para una descripción general de los condensados ​​de vidrio coloreado, véase, 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 relaciones de partículas predichas por los modelos estadísticos permiten el cálculo de parámetros como la temperatura de congelamiento químico T _ch y el potencial químico hadrónico . 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 de transición de fase de QCD esperado de aproximadamente 170 MeV obtenido por cálculos de QCD de red (ver, 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 fueron más cuidadosos para no sacar conclusiones apresuradas, citando varias variables que aún necesitaban más mediciones. ^[26] Los resultados actuales muestran que la materia creada es un fluido con una viscosidad cercana al límite cuántico, pero es diferente a un plasma de interacción débil (una creencia generalizada pero no cuantitativamente infundada sobre cómo se ve el plasma de quarks y gluones).

Una descripción general reciente del resultado de física se proporciona en las Evaluaciones experimentales del RHIC de 2004, archivadas el 2 de febrero de 2017 en Wayback Machine , un esfuerzo de toda la comunidad de experimentos del RHIC para evaluar los datos actuales en el contexto de la implicación para la formación de un nuevo estado de la materia. ^{[27] [28] [29] [30]} Estos resultados son de los primeros tres años de recopilación de datos en el RHIC.

El 16 de febrero de 2010 se publicaron nuevos resultados en Physical Review Letters , que indican el descubrimiento de los primeros indicios de transformaciones de simetría , y que las observaciones pueden sugerir que las burbujas formadas como consecuencia de las colisiones creadas en el RHIC pueden romper la simetría de paridad , 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 kelvins, la temperatura más alta jamás alcanzada en un laboratorio. ^[33] Se describe como una recreación de las condiciones que existían durante el nacimiento del Universo . ^[34]

Posible cierre en escenarios de presupuestos estancados para la ciencia nuclear

A finales de 2012, se solicitó 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 para la ciencia nuclear escrito en 2007, si los futuros presupuestos para la ciencia nuclear seguían sin generar crecimiento en los próximos cuatro años. En una votación decidida por un estrecho margen, el comité del 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 continuó sus operaciones durante la siguiente 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 colisionar protones, funciona con iones pesados ​​durante aproximadamente un mes al año. El LHC ha funcionado con energías 25 veces superiores por nucleón. A partir de 2018, el 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, y a diferencia del LHC, el RHIC también puede acelerar protones polarizados por espín, lo que dejaría al RHIC como el acelerador de mayor energía del mundo para estudiar la estructura de protones polarizados por espín.

Una importante mejora es el colisionador de electrones e iones ( EIC ), la incorporación de un haz de electrones de alta intensidad de 18 GeV, que permite colisiones de electrones e iones. 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 Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU., anunció que el diseño del eRHIC del BNL había sido seleccionado para el futuro colisionador de electrones e iones (EIC) en los Estados Unidos. Además de la selección del sitio, se anunció que el EIC del BNL había adquirido el 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 postulaban 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 muchos predicen que la Tierra sería destruida en un período de tiempo de segundos a milenios, dependiendo de la teoría considerada. Sin embargo, el hecho de que los 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 artificiales durante miles de millones de años, sin ningún daño al Sistema Solar, se encontraban entre los argumentos más llamativos de que estas hipótesis eran infundadas. ^[42]

El otro tema polémico principal fue la exigencia de los críticos ^{[ cita requerida ]} de que los físicos excluyan razonablemente la probabilidad de un escenario tan catastrófico. Los físicos no pueden demostrar restricciones experimentales y astrofísicas de probabilidad cero de eventos catastróficos, ni de que mañana la Tierra será golpeada por un rayo cósmico del " día del juicio final " (sólo pueden calcular un límite superior para la probabilidad). El resultado serían los mismos escenarios destructivos descritos anteriormente, aunque obviamente no causados ​​por los humanos. Según este argumento de límites superiores, el RHIC aún modificaría la probabilidad de supervivencia de la Tierra en una cantidad infinitesimal.

Se han planteado preocupaciones en relación con el acelerador de partículas RHIC, tanto en los medios de comunicación ^{[43] [44]} como en los medios de divulgación científica. ^[45] Martin Rees indicó que el riesgo de un escenario apocalíptico con respecto al RHIC es 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 probabilidad de que esto ocurra 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 como "más allá de toda duda razonable, los experimentos con iones pesados ​​en el RHIC no pondrán en peligro nuestro planeta" ^[47] y que hay "evidencia empírica poderosa contra la posibilidad de una producción peligrosa de strangelets". ^[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 desplegó con un artículo en el Sunday Times del Reino Unido del 18 de julio de 1999, por J. Leake, ^[50] seguido de cerca por artículos en los medios de comunicación estadounidenses. ^[51] La controversia terminó en su mayor parte con el informe de un comité convocado por el director del Laboratorio Nacional de Brookhaven, JH Marburger , descartando ostensiblemente los escenarios catastróficos representados. ^[42] Sin embargo, el informe dejó abierta la posibilidad de que los productos de impacto de rayos cósmicos relativistas pudieran comportarse de manera diferente mientras transitan 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 detener la colisión de energía total en el RHIC presentando demandas federales en San Francisco y Nueva York, pero sin éxito. ^[52] La demanda de Nueva York fue desestimada con el argumento técnico 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 información adicional y se presentaba ante el tribunal. ^[53]

El 17 de marzo de 2005, la BBC publicó un artículo que implicaba 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 densa y caliente de QCD creada en el RHIC con un agujero negro es solo en el sentido de una correspondencia de dispersión de 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 del 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 el Departamento de Energía de los Estados Unidos , Oficina de Ciencias, Oficina de Física Nuclear. Contó con un presupuesto de partidas presupuestarias 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, a 115,5 millones de dólares estadounidenses. Aunque la operación con 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 manera privada por un grupo cercano a Renaissance Technologies de East Setauket, Nueva York . ^{[59] [60]}

En la ficción

• La novela Cosm ( ISBN  0-380-79052-1 ) del autor estadounidense Gregory Benford se desarrolla en el RHIC. El entorno de ciencia ficción describe a la protagonista Alicia Butterworth, una física del experimento BRAHMS, y un nuevo universo que se crea en el RHIC por accidente, mientras funciona con iones de uranio . ^[61]
• La novela de apocalipsis zombi The Rising del autor estadounidense Brian Keene hizo referencia a las preocupaciones de los medios de comunicación sobre la activación del RHIC planteadas por el artículo en The Sunday Times del 18 de julio de 1999, de J. Leake. ^[50] Como se revela muy temprano en la historia, los efectos secundarios de los experimentos del colisionador del RHIC (ubicado en "Havenbrook National Laboratories") fueron la causa del levantamiento zombi en la novela y su secuela City of the Dead .
• En la serie de novelas Rayloria's Memory del autor estadounidense Othello Gooden Jr, que comienza con Raylorian Dawn ( ISBN 1466328681 ), se señala que cada Ciudad Lunar y su estación espacial están alimentadas por un RHIC. 

Véase también

• El Proyecto ISABELLE
• Gran Colisionador de Hadrones

Referencias

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Lectura adicional

• M. Harrison; T. Ludlam; S. Ozaki (2003). "El proyecto del colisionador de iones pesados ​​relativista: RHIC y sus detectores". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física A . 499 (2–3): 235–880. Código Bibliográfico :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 Wayback Machine
• PHENIX Archivado el 22 de mayo de 2017 en Wayback Machine
• PHOBOS Archivado el 17 de febrero de 2013 en Wayback Machine
• ESTRELLA

Enlaces externos

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