La física nuclear de altas energías estudia el comportamiento de la materia nuclear en regímenes energéticos típicos de la física de altas energías . El enfoque principal de este campo es el estudio de colisiones de iones pesados, en comparación con átomos más ligeros en otros aceleradores de partículas . Con suficientes energías de colisión, se teoriza que estos tipos 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 previos con aceleradores nucleares de alta energía han estudiado colisiones de iones pesados utilizando energías de proyectiles de 1 GeV/nucleon en JINR y LBNL-Bevalac hasta 158 GeV/nucleon 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 fines de la década de 1990 se aplicó un gran enfoque a los sistemas de colisión simétrica de haces de oro en objetivos de oro enSincrotrón de gradiente alterno ( AGS) del Laboratorio Nacional de Brookhaven y haces de uranio en objetivos de uranio en el Sincrotrón de súper protones del CERN .
Los experimentos de física nuclear de alta energía continúan en el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) del Laboratorio Nacional de 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 a estudiar colisiones de núcleos altamente relativistas. A diferencia de los experimentos con objetivos fijos, los experimentos con colisionadores dirigen dos haces acelerados de iones uno hacia el otro en (en el caso de RHIC) seis regiones de interacción. En RHIC, los iones se pueden acelerar (dependiendo del tamaño del ion) de 100 GeV/nucleón a 250 GeV/nucleón. Dado que cada ion que colisiona posee esta energía que se mueve en direcciones opuestas, la energía máxima de las colisiones puede lograr un centro de masa energía de colisión de 200 GeV/nucleon para el oro y 500 GeV/nucleon 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 de hadrones calientes y de la producción de multipartículas tiene una larga historia iniciada por el trabajo teórico sobre la producción de multipartículas de Enrico Fermi en los EE. UU. 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 partículas múltiples y el modelo de arranque estadístico 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 bajo investigación activa.
Las primeras colisiones de iones pesados en condiciones moderadamente 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 hasta el Bevatron . La escala de energía al nivel de 1–2 GeV por nucleón alcanzada inicialmente produce materia nuclear comprimida con una densidad nuclear pocas veces superior 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 muy superiores en aceleradores disponibles enBNL 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 una energía un orden de magnitud mayor en 2010.