El relativista de Iones Pesados ( RHIC / r ɪ k / ) es el primero y uno de los dos únicos pesado que operan iones colisionadores , y el único giro -polarized protones colisionador se haya 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 primordialde materia que existía en el universo poco después del Big Bang . [4] [5] Al colisionar protones de espín polarizado, se explora la estructura de espín del protón .
Anillos de almacenamiento que se cruzan | CERN , 1971–1984 |
---|---|
Colisionador de protones y antiprotones ( SPS ) | CERN , 1981–1991 |
ISABELLE | BNL , cancelado en 1983 |
Tevatron | Fermilab , 1987–2011 |
Super colisionador superconductor | Cancelado en 1993 |
Colisionador de iones pesados relativista | BNL , 2000-presente |
Gran Colisionador de Hadrones | CERN , 2009-presente |
Colisionador circular futuro | Propuesto |
RHIC es a partir de 2019 el segundo colisionador de iones pesados de mayor energía del mundo. Desde el 7 de noviembre de 2010, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) chocó con iones pesados de plomo a energías más altas que el RHIC. [6] El tiempo de funcionamiento del LHC para los 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 las mediciones de temperatura de experimentos anteriores que concluyeron que se habían alcanzado temperaturas superiores a 345 MeV (4 terakelvins o 7 billones de grados Fahrenheit) en colisiones de iones de oro, y que estas temperaturas de colisión dieron como resultado la ruptura de " materia normal "y la creación de un plasma de quark-gluón similar a un líquido . [7]
En enero de 2020, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Seleccionó el diseño de eRHIC para el futuro Colisionador de iones de electrones (EIC), basándose en la instalación RHIC existente en BNL.
El acelerador
RHIC es un acelerador de partículas de anillo de almacenamiento que se cruza . Dos anillos independientes (indicados arbitrariamente como "Azul" y "Amarillo") hacen circular iones pesados y / o protones polarizados en direcciones opuestas y permiten una elección prácticamente libre de colisión de partículas cargadas positivamente (la actualización eRHIC permitirá colisiones entre carga positiva y negativa partículas). El anillo de almacenamiento doble RHIC tiene forma hexagonal y tiene 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 dipolo funcionan a3,45 T . [8] 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 por posiciones de reloj, con la inyección cerca de las 6 en punto. Dos grandes experimentos, STAR y PHENIX, están ubicados a las 6 y 8 en punto respectivamente. El experimento PHENIX está experimentando una actualización importante para convertirse en sPHENIX. [9]
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 de haz de electrones (EBIS), mientras que para los protones, el Se utiliza un acelerador lineal de 200 MeV (Linac). 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 79 electrones despojados del átomo de oro). Las partículas son luego 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 alcance8.86 GeV por nucleón y se inyectan en un estado Q = +79 (no quedan electrones) en el anillo de almacenamiento RHIC sobre 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 T + T . 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 es típicamente200 GeV por par de nucleones , y fue tan bajo como7,7 GeV por par de nucleones . Una luminosidad media de2 × 10 26 cm −2 s −1 fue el objetivo durante la planificación. La luminosidad promedio actual de Au + Au del colisionador ha alcanzado87 × 10 26 cm −2 s −1 , 44 veces el valor de diseño. [10] La luminosidad de los iones pesados aumenta sustancialmente a través del enfriamiento estocástico . [11]
Una característica única de RHIC es su capacidad para colisionar protones polarizados. RHIC tiene el récord de haces de protones polarizados de mayor energía. Los protones polarizados se inyectan en 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 mecanismo magnético de sacacorchos llamado 'serpientes siberianas' (en 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 [12] Run-9 alcanzó la energía del centro de masa de500 GeV el 12 de febrero de 2009. [13] En Run-13, la luminosidad media p + p del colisionador alcanzó160 × 10 30 cm −2 s −1 , con una polarización promedio de tiempo e intensidad del 52%. [10]
Los dipolos de CA se han utilizado en el diagnóstico de máquinas no lineales por primera vez en RHIC. [14]
El sistema de refrigeración de helio de 25 kW que enfría los imanes superconductores hasta la temperatura de funcionamiento de 4,5 K [15]
Un imán dipolo de arco. Ranuras de bus eléctrico (superior e inferior) y tubo de haz (medio) en la sección superior de la carcasa de vacío [16]
Curvatura del tubo de haz visto a través de los extremos de un imán dipolo de arco
Dos anillos de acelerador principales dentro del túnel RHIC
Detector de estrellas
Un sensor de detector de vértices de silicio delantero (FVTX) del detector PHENIX en un microscopio [17]
Los experimentos
Actualmente hay un detector en funcionamiento en RHIC: STAR (a las 6 en punto y cerca de la línea de transferencia AGS a RHIC). PHENIX (a las 8 en punto) tomó los últimos datos en 2016. PHOBOS (a las 10 en punto) completó su operación en 2005, y BRAHMS (a las 2 en punto) en 2006. Se está construyendo un nuevo detector sPHENIX en la antigua sala PHENIX y Se espera que comience a recopilar datos en 2023.
Entre los dos detectores más grandes, STAR está destinado 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 más especializado en la detección de partículas raras y electromagnéticas, utilizando un sistema detector de cobertura en un campo magnético axial generado de forma superconductora. 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 diseñado para la medición de la multiplicidad de partículas a granel, mientras que BRAHMS está diseñado para la espectroscopia de momento, 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 de espín en la dispersión p + p . [18]
Los portavoces de cada uno de los experimentos son:
- ESTRELLA : Helen Caines ( Universidad de Yale ) y Lijuan Ruan ( Laboratorio Nacional Brookhaven )
- PHENIX : 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-gluones, RHIC tiene la capacidad única de proporcionar medidas 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 de 200 GeV Au + Au, como las colisiones p + py d + Au de las carreras anteriores, y también colisiones Cu + Cu. en Run-5.
Usando este enfoque, los resultados importantes de la medición de la materia QCD caliente creada en RHIC son: [19]
- Anisotropía colectiva o flujo elíptico . La mayor parte de las partículas con momentos más bajos se emite siguiendo una distribución angular.( p T es el momento transversal,ángulo con el plano de reacción). Este es un resultado directo de la forma elíptica de la región de superposición del núcleo durante la colisión y la propiedad hidrodinámica de la materia creada.
- Apagado por chorro . En el evento de colisión de iones pesados, la dispersión con una p T transversal altapuede 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) que es el cociente del rendimiento del chorro observado en lascolisiones A + A y el rendimiento N bin × en las colisiones p + p muestra una fuerte amortiguación con el aumento de A , que 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) [20] que son el resultado de una reanudación de términos logarítmicos grandes en Q ² para una dispersión inelástica profunda con Bjorken- x pequeño, saturado en un límite de unitaridad, siendo N parte / 2 el número de nucleones participantes en una colisión (en contraposición al número de colisiones binarias). La multiplicidad cargada observada sigue la dependencia esperada de, apoyando las predicciones del modelo de condensado de vidrio de color . Para una discusión detallada, ver, por ejemplo, Dmitri Kharzeev et al. ; [21] para obtener una descripción general de los condensados de vidrio de color, consulte, por ejemplo, Iancu y Venugopalan. [22]
- Relaciones de partículas. Las proporciones de partículas predichas por modelos estadísticos permiten el cálculo de parámetros como la temperatura en la congelación química T ch y el potencial químico del hadrón.. 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 esperado de transición de fase QCD de aproximadamente 170 MeV obtenido por cálculos de celosía QCD ( véase, por ejemplo, Karsch [23] ).
Mientras que en los primeros años, los teóricos estaban ansiosos por afirmar que RHIC había descubierto el plasma de quarks-gluones (por ejemplo, Gyulassy y McLarren [24] ), los grupos experimentales tuvieron más cuidado de no sacar conclusiones precipitadas, citando varias variables que aún necesitaban más información. medición. [25] 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-gluones).
Las Evaluaciones Experimentales de RHIC 2004 proporcionan una descripción general reciente del resultado de la física , un esfuerzo de experimentos RHIC de toda la comunidad para evaluar los datos actuales en el contexto de la implicación para la formación de un nuevo estado de la materia. [26] [27] [28] [29] 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 . [30] [31]
Los físicos del RHIC anunciaron nuevas mediciones de temperatura para estos experimentos de hasta 4 billones de kelvin, la temperatura más alta jamás alcanzada en un laboratorio. [32] Se describe como una recreación de las condiciones que existían durante el nacimiento del Universo . [33]
Posible cierre en escenarios presupuestarios planos de 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 alcance de ciencia nuclear redactado en 2007, si los futuros presupuestos de ciencia nuclear continúan proporcionando crecimiento durante los próximos cuatro años. En una votación estrechamente decidida, el comité NSAC mostró una ligera preferencia, basada en consideraciones no relacionadas con la ciencia, [34] por cerrar RHIC en lugar de cancelar la construcción de la Instalación de Rayos Isótopos Raros (FRIB). [35]
Para octubre de 2015, la situación presupuestaria había mejorado y RHIC puede continuar con sus operaciones durante la próxima década. [36]
El futuro
RHIC comenzó a operar en 2000 y hasta noviembre de 2010 fue el colisionador de iones pesados más poderoso 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 operado con energías 25 veces más altas por nucleón. A partir de 2018, RHIC y el LHC son los únicos colisionadores de hadrones operativos en el mundo.
Debido al mayor tiempo de funcionamiento por año, se puede estudiar un mayor número de especies de iones en colisión y energías de colisión en RHIC. Además, y a diferencia del LHC, RHIC también es capaz de acelerar protones de espín polarizado, lo que dejaría al RHIC como el acelerador de energía más alta del mundo para estudiar la estructura de protones de espín polarizado.
Una mejora importante es el Colisionador de iones de electrones ( EIC ), la adición de una instalación de haz de electrones de alta intensidad de 18 GeV, que permite colisiones entre electrones y iones. Deberá construirse al menos un nuevo detector para estudiar las colisiones. A. Deshpande et al. [37] Una descripción más reciente está en: [38]
El 9 de enero de 2020, Paul Dabbar, subsecretario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. Anunció que el diseño BNL eRHIC ha 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 el CD-0 (necesidad de la misión) del Departamento de Energía. [39]
Críticos de experimentos de alta energía
Antes de que RHIC comenzara a funcionar, los críticos postulaban que la energía extremadamente alta podría producir escenarios catastróficos, [40] como la creación de un agujero negro , una transición a un vacío mecánico cuántico diferente (ver vacío falso ) 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 para el Sistema Solar, fueron entre los argumentos más llamativos de que estas hipótesis eran infundadas. [41]
El otro tema controvertido principal fue una demanda de los críticos [ cita requerida ] para que los físicos excluyeran razonablemente la probabilidad de un escenario tan catastrófico. Los físicos son incapaces de demostrar restricciones experimentales y astrofísicas de probabilidad cero de eventos catastróficos, ni que mañana la Tierra será golpeada con un rayo cósmico " apocalíptico " (solo 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 límites superiores, RHIC todavía modificaría la posibilidad de supervivencia de la Tierra en una cantidad infinitesimal.
Se plantearon preocupaciones en relación con el acelerador de partículas RHIC, tanto en los medios de comunicación [42] [43] como en los medios de divulgación científica. [44] El riesgo de un escenario apocalíptico fue indicado por Martin Rees , con respecto al RHIC, como una probabilidad de al menos 1 en 50.000.000. [45] Con respecto a la producción de extraños , 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 ". [43] Después de estudios detallados, los científicos llegaron a conclusiones como "más allá de toda duda razonable, los experimentos con iones pesados en RHIC no pondrán en peligro nuestro planeta" [46] y que existe "evidencia empírica poderosa contra la posibilidad de una peligrosa producción de extraños". [41]
El debate se inició en 1999 con un intercambio de cartas en Scientific American entre Walter L. Wagner y F. Wilczek , [47] en respuesta a un artículo anterior de M. Mukerjee. [48] La atención de los medios se desarrolló con un artículo en el Sunday Times del Reino Unido del 18 de julio de 1999 por J. Leake, [49] seguido de cerca por artículos en los medios estadounidenses. [50] La controversia terminó principalmente con el informe de un comité convocado por el director del Laboratorio Nacional de Brookhaven, JH Marburger , descartando ostensiblemente los escenarios catastróficos descritos. [41] 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 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 sea diferente a las colisiones de oro sobre oro en el RHIC. Posteriormente, Wagner intentó detener la colisión de plena energía en RHIC mediante la presentación de demandas federales en San Francisco y Nueva York, pero sin éxito. [51] 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 a la corte. [52]
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 RHIC. [53] Sin embargo, los artículos originales de H. Năstase [54] y el artículo de New Scientist [55] citado por la BBC afirman que la correspondencia de la materia de QCD densa y caliente creada en RHIC con un agujero negro es sólo en el sentido de una correspondencia de la dispersión de QCD en el espacio de Minkowski y la dispersión en el espacio de AdS 5 × X 5 en AdS / CFT ; en otras palabras, es similar matemáticamente. Por lo tanto, las colisiones RHIC podrían ser descritas por las 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. Tenía un presupuesto por partidas 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 bajo el recorte presupuestario federal del año fiscal 2006 [56] [57] fue incierta, una parte clave del costo operativo (13 millones de dólares estadounidenses) fue aportada en forma privada por un grupo cercano a Renaissance Technologies de East Setauket, Nueva York . [58] [59]
RHIC en la ficción
- La novela Cosm ( ISBN 0-380-79052-1 ) del autor estadounidense Gregory Benford tiene lugar en RHIC. 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 . [60]
- 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 de The Sunday Times del 18 de julio de 1999 de J. Leake. [49] Como se reveló al principio de la historia, los efectos secundarios de los experimentos de 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 , comenzando 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
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Otras lecturas
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- BRAHMS
- FÉNIX
- PHOBOS
- ESTRELLA
enlaces externos
- Medios relacionados con el colisionador de iones pesados relativista en Wikimedia Commons
- Departamento de Acelerador-Colisionador del Laboratorio Nacional de Brookhaven
- Colisionador de iones pesados relativista
- Colisionador de iones pesados relativista en Google Maps
- Descripción general de RHIC Run
Coordenadas : 40 ° 53′2 ″ N 72 ° 52′33 ″ W / 40,88389 ° N 72,87583 ° W / 40,88389; -72.87583