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) está formado por partículas cargadas como electrones o protones y se acelera a una 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 Rutherford con la lámina de oro , realizado entre 1908 y 1913, fue uno de los primeros experimentos con objetivos fijos, en el que las partículas alfa apuntaban a una fina lámina de oro. [1] [3] [4]
La energía involucrada en un experimento con un 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 con colisionadores, la energía de dos haces está disponible para producir nuevas partículas, mientras que en el caso de un objetivo fijo, se gasta mucha energía simplemente en dar velocidades a las partículas recién creadas. Esto implica claramente que los experimentos con objetivos fijos no son útiles cuando se trata de aumentar las escalas de energía de los experimentos. [3] [7] La fuente objetivo también se desgasta con la cantidad de golpes y generalmente requiere un reemplazo regular. Actualmente, los experimentos con objetivos fijos intentan utilizar materiales muy resistentes, pero el daño no se puede evitar por completo. [8]
Los experimentos con objetivos fijos tienen una ventaja significativa para 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) del CERN , alcanzará una luminosidad total integrada durante su funcionamiento. [10] Si bien la escala de luminosidad de aproximadamente ya ha sido alcanzada por experimentos más antiguos con objetivos fijos, como el E288 dirigido por Leon Lederman en Fermilab . [3] [11] Otra ventaja de los experimentos con objetivos fijos es que son más fáciles y baratos de construir en comparación con los aceleradores de colisionador. [5]
El experimento de Rutherford con la lámina de oro, que condujo al descubrimiento de que la masa y la carga positiva de un átomo estaban concentradas en un núcleo pequeño, fue probablemente el primer experimento con un objetivo fijo. La última 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 Tevatron del Fermilab , donde varios experimentos con objetivos fijos condujeron a nuevos descubrimientos. Se llevaron a cabo 43 experimentos con objetivos fijos en el Tevatron durante su período de funcionamiento de 1983 a 2000. [12] Mientras que los protones y otros haces de SPS todavía se utilizan en experimentos con objetivos fijos, como la colaboración NA61/SHINE y COMPASS . También se está planificando una instalación de objetivos fijos en el LHC , llamada AFTER@LHC. [13] [14]
Los experimentos con objetivos fijos se implementan principalmente para el estudio intensivo de procesos raros, dinámica con alto Bjorken x, física difractiva, correlaciones de espín y numerosos fenómenos nucleares. [13] [14]
Los experimentos en las instalaciones Tevatron del Fermilab cubrieron una amplia gama de dominios de la física, como probar las predicciones teóricas de la teoría de la cromodinámica cuántica , estudios de la estructura de protones , neutrones y mesones , y estudios de quarks pesados como charm y bottom . Varios experimentos analizaron las pruebas de simetría CP . Pocas colaboraciones también estudiaron los hiperones y los neutrinos creados en configuraciones de objetivos fijos. [12] [15]
NA61/SHINE en el SPS está estudiando las transiciones de fase en la materia y la física que interactúan fuertemente relacionadas con el inicio del confinamiento . [16] Mientras que el experimento COMPASS investiga la estructura de los hadrones . [17]
AFTER@LHC tiene como objetivo estudiar la distribución de gluones y quarks en el interior de protones y neutrones utilizando instalaciones de objetivo fijo. [13] También existen posibilidades de observar los bosones W y Z. [18] También se están investigando la observación y los estudios de la producción del par Drell-Yan y del quarkonio . [14]
Por lo tanto, la cantidad de opciones disponibles para explorar física extrema y rara en experimentos con objetivos fijos es numerosa.
