Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), pentru coliziuni de ioni grei

Un collider este un accelerator de fluxuri de particule de sens contrar care se ciocnesc. Collider de ioni grei relativiști – Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – este primul și unul dintre singurele două acceleratoare tip collider de ioni grei care funcționează, din anul 2000, și singurul collider de protoni cu polarizare de spin construit vreodată. Situat la Laboratorul Național Brookhaven (BNL) din Upton, New York, și instrumentat de o echipă internațională de cercetători, este singurul collider de particule care operează în SUA. Folosind RHIC pentru a ciocni ionii care călătoresc la viteze relativiste, fizicienii studiază forma primordială a materiei care a existat în univers la scurt timp după Big Bang. Prin ciocnirea protonilor cu spin polarizat, se explorează structura de spin a protonului.

RHIC este, începând din 2019 al doilea cel mai mare collider de ioni grei din lume. Începând cu 7 noiembrie 2010, Large Hadron Collider (LHC) a lovit ioni grei de plumb la energii mai mari decât RHIC. Timpul de funcționare al LHC pentru ioni (coliziuni plumb-plumb și plumb-proton) este limitat la aproximativ o lună pe an.

În 2010, fizicienii RHIC au publicat rezultatele măsurătorilor de temperatură din experimentele anterioare care au concluzionat că temperaturi mai mari de 345 MeV (4 terakelvin sau 7 trilioane de grade Fahrenheit) au fost atinse în coliziuni cu ioni de aur, și că aceste temperaturi de coliziune au dus la descompunerea „materiei normale” și crearea unei plasme de quarc-gluon asemănătoare unui lichid.

În ianuarie 2020, Departamentul Energiei al SUA, Biroul de Științe, a selectat proiectul eRHIC pentru viitorul collider electron-ion (EIC), bazându-se pe instalația existentă RHIC de la BNL.

(Relativistic Heavy Ion Collider de la Brookhaven National Laboratory. Remarcați în special al doilea inel independent din spatele celui cu dungi albastre. Abia vizibil și între țevile albe și roșii de pe peretele din dreapta este cablul portocaliu, care ar trebui folosit pentru a opri fasciculul de oricine aflat în tunel când este alimentat. )

Acceleratorul

RHIC este un accelerator de particule cu inele de acumulare care se intersectează. Prin două inele independente (notate în mod arbitrar ca „Albastru” și „Galben”) circulă ioni grei și / sau protoni polarizați în direcții opuse și permit o alegere practic liberă a particulelor încărcate pozitiv care se ciocnesc (actualizarea eRHIC va permite coliziunile între particulele încărcate pozitiv și negativ ). Inelul dublu de stocare RHIC are o formă hexagonală și are o circumferință de 3834 m, cu margini curbate în care particulele stocate sunt deviate și focalizate de 1.740 de magneți supraconductori utilizând conductori de niobiu-titan. Magneții dipolari funcționează la 3,45 T (tesla). Cele șase puncte de interacțiune (între particulele care circulă în cele două inele) se află în mijlocul celor șase secțiuni relativ drepte, unde cele două inele se încrucișează, permițând particulelor să se ciocnească. Punctele de interacțiune sunt enumerate în funcție de pozițiile ceasului, cu injecția aproape de ora 6. Două experimente mari, STAR și PHENIX, sunt situate la ora 6 și respectiv la ora 8. Experimentul PHENIX este în prezent în curs de actualizare majoră pentru a deveni sPHENIX.

O particulă trece prin mai multe etape ale rapelurilor înainte de a ajunge la inelul de acumulare RHIC. Prima etapă pentru ioni este sursa de ioni cu fascicul de electroni (EBIS), în timp ce pentru protoni se folosește acceleratorul liniar de 200 MeV (Linac). De exemplu, nucleii de aur care părăsesc EBIS au o energie cinetică de 2 MeV per nucleon și au o sarcină electrică Q = +32 (32 din 79 de electroni eliminați din atomul de aur). Particulele sunt apoi accelerate de sincrotronul Booster la 100 MeV per nucleon, care injectează proiectilul acum cu Q = +77 în Sincrotronul cu gradient alternativ (AGS), înainte de a ajunge în cele din urmă la 8,86 GeV per nucleon și sunt injectate într-o stare Q = + 79 (nu mai rămân electroni) în inelul de stocare RHIC peste linia de transfer AGS-la-RHIC (AtR).

Până în prezent, tipurile de combinații de particule explorate la RHIC sunt p + p, p + Al, p + Au, d + Au, h + Au, Cu + Cu, Cu + Au, Zr + Zr, Ru + Ru, Au + Au și U + U. Proiectilele călătoresc de obicei cu o viteză de 99,995% din viteza luminii. Pentru coliziunile Au + Au, energia centrului de masă este de obicei 200 GeV per pereche de nucleoni și a fost de până la 7,7 GeV per pereche de nucleoni. O luminozitate medie de 2×10²⁶ cm⁻²s⁻¹ a fost vizată în timpul planificării. Luminozitatea medie actuală Au + Au a colizorului a atins 87×10²⁶ cm⁻²s⁻¹, de 44 ori valoarea de proiectare. Luminozitatea ionilor grei este substanțial crescută prin răcire stocastică.

O caracteristică unică a RHIC este capacitatea sa de a ciocni protoni polarizați. RHIC deține recordul fasciculelor de protoni polarizate cu cea mai mare energie. Protonii polarizați sunt injectați în RHIC și păstrează această stare pe toată rampa energetică. Aceasta este o sarcină dificilă care se realizează cu ajutorul magneticilor în spirală numiți „șerpi siberieni” (în RHIC un lanț cu 4 magneți dipoli elicoidali). Magnetul determină câmpul magnetic să se spiraleze de-a lungul direcției fasciculului. Run-9 a atins o energie a centrului de masă de 500 GeV la 12 februarie 2009. În Run-13 luminozitatea medie p + p a collider-ului a atins 160×10³⁰ cm⁻²s⁻¹, cu o polarizare medie de timp și intensitate de 52%.

Dipolii de curent alternativ au fost folosiți pentru diagnosticarea neliniară a mașinii pentru prima dată în RHIC.

(Sistemul de refrigerare cu heliu de 25 kW care răcește magneții supraconductori până la temperatura de funcționare de 4,5K. )

Experimentele

(O vedere a coliziunilor de ioni de aur, astfel cum a fost capturată de detectorul STAR.)

În prezent există un detector care funcționează la RHIC: STAR (ora 6 și în apropierea liniei de transfer AGS-la-RHIC). PHENIX (ora 8) a luat ultimele date în 2016. PHOBOS (ora 10) și-a finalizat operațiunea în 2005, iar BRAHMS (ora 2) în 2006. Un nou detector sPHENIX este în construcție în vechea hală PHENIX și se așteaptă să preia date în 2023.

Dintre cei doi detectori mai mari, STAR urmărește detectarea hadronilor cu sistemul său de camere de proiecție a timpului care acoperă un unghi solid mare și într-un câmp magnetic solenoidal generat în mod convențional, în timp ce PHENIX este specializat în detecția particulelor rare și electromagnetice, utilizând un sistem de detectare cu acoperire într-un câmp magnetic axial generat superconductiv. Detectoarele mai mici au o acoperire mai mare a pseudorapidității, PHOBOS are cea mai mare acoperire a pseudorapidității dintre toți detectorii și adaptate pentru măsurarea multiplicității particulelor în vrac, în timp ce BRAHMS este conceput pentru spectroscopie de impuls, pentru a studia așa-numita fizică de saturație „small-x”. Există un experiment suplimentar, PP2PP (acum face parte din STAR), care investighează dependența de spin în împrăștierea p + p.

Rezultate actuale

Pentru obiectivul experimental de a crea și studia plasma quarc-gluon, RHIC are capacitatea unică de a oferi măsurători de bază pentru sine. Aceasta constă atât din combinații de proiectile cu energie mai redusă, cât și cu un număr de masă mai scăzut, care nu duc la densitatea de 200 GeV a coliziunilor Au + Au, cum ar fi coliziunile p + p și d + Au din cursele anterioare, precum și coliziuni Cu + Cu în Run-5.

Folosind această abordare, rezultatele importante ale măsurării materiei fierbinți din cromodinamica cuantică (CDC) create la RHIC sunt:

• Anizotropie colectivă sau flux eliptic. Cea mai mare parte a particulelor cu impuls inferior este emisă după o distribuție unghiulară. Acesta este un rezultat direct al formei eliptice a regiunii de suprapunere a nucleului în timpul coliziunii și a proprietății hidrodinamice a materiei create.
• Stingerea jetului. În cazul unei coliziuni de ioni grei, împrăștierea cu un impuls transversal ridicat poate servi ca o sondă pentru materia fierbinte CDC, deoarece își pierde energia în timp ce călătorește prin mediu. Experimental, A fiind numărul de masă, coeficientul randamentului observat al jetului în coliziunile A + A și randamentul în coliziunile p + p arată o amortizare puternică odată cu creșterea A, ceea ce este o indicație a noilor proprietăți ale materiei fierbinți CDC creată.
• Saturația condensului sticlei colorate. Dinamica Balitsky – Fadin – Kuraev – Lipatov (BFKL) care este rezultatul unei reluări a unor termeni logaritmici mari în Q² pentru împrăștierea inelastică profundă cu mici Bjorken-x, saturează la o limită de unitaritate. Multiplicitatea sarcinii observată urmează dependența așteptată, susținând predicțiile modelului condensat de sticlă colorată.
• Raporturile de particule. Raporturile particulelor prezise de modele statistice permit calcularea parametrilor precum temperatura la înghețarea chimică și potențialul chimic al hadronului. Valoarea experimentală variază puțin în funcție de modelul utilizat, majoritatea autorilor acordând o valoare de 160 MeV < T_ch < 180 MeV, care este foarte aproape de valoarea de tranziție de fază CDC așteptată de aproximativ 170 MeV obținută prin calcule CDC în rețea.

În timp ce, în primii ani, teoreticienii au fost dornici să susțină că RHIC a descoperit plasma quarc-gluon, grupurile experimentale au fost mai atenți să nu treacă la concluzii, citând diferite variabile care încă au nevoie de măsurători suplimentare. Rezultatele prezente arată că materia creată este un fluid cu o vâscozitate aproape de limita cuantică, dar este diferită de o plasmă slab interacționând (o credință larg răspândită, dar nu cantitativ neîntemeiată asupra aspectului plasmei quarc-gluon).

O prezentare recentă a rezultatului fizic este oferită de RHIC Experimental Evaluations 2004, un efort comunitar de experimente RHIC pentru a evalua datele actuale în contextul implicației pentru formarea unei noi stări a materiei. Aceste rezultate provin din primii trei ani de colectare a datelor la RHIC.

Noi rezultate au fost publicate în Physical Review Letters pe 16 februarie 2010, afirmând descoperirea primelor indicii de transformări ale simetriei și că observațiile pot sugera că bulele formate în urma coliziunilor create în RHIC pot rupe simetria parității, ceea ce caracterizează în mod normal interacțiunile dintre quarc și gluoni.

Fizicienii RHIC au anunțat noi măsurători de temperatură pentru aceste experimente de până la 4 trilioane de kelvini, cea mai ridicată temperatură atinsă vreodată într-un laborator. Este descris ca o recreere a condițiilor care au existat în timpul nașterii Universului.

Posibilă închidere în cadrul scenariilor bugetare științifice reduse

La sfârșitul anului 2012, Comitetului consultativ pentru știința nucleară (NSAC) i s-a cerut să consilieze Biroul de Științe al Departamentului Energiei și Fundația Națională pentru Științe despre cum să pună în aplicare planul pe termen lung al științelor nucleare scris în 2007, dacă viitoarele bugete ale științelor nucleare continuă să nu prevadă creștere în următorii patru ani. Printr-un vot hotărât, comitetul NSAC a arătat o ușoară preferință, bazată pe considerente care nu au legătură cu știința, pentru închiderea RHIC, mai degrabă decât pentru anularea construcției Facilității pentru fluxuri de izotopi rari (FRIB).

Până în octombrie 2015, situația bugetară s-a îmbunătățit, iar RHIC poate continua operațiunile în următorul deceniu.

Viitorul

RHIC a început să funcționeze în 2000 și până în noiembrie 2010 a fost cel mai puternic collider de ioni grei din lume. Large Hadron Collider (LHC) la CERN, deși este utilizat în principal pentru a face coliziune de protoni, funcționează cu ioni grei timp de aproximativ o lună pe an. LHC a funcționat cu energii de 25 de ori mai mari pe nucleon. Începând din 2018, RHIC și LHC sunt singurii collideri de hadroni din lume.

Datorită timpului de funcționare mai lung pe an, un număr mai mare de specii de ioni care se ciocnesc și energii de coliziune mai mari pot fi studiate la RHIC. În plus și spre deosebire de LHC, RHIC este, de asemenea, capabil să accelereze protoni polarizați prin spin, ceea ce ar face din RHIC cel mai mare accelerator de energie din lume pentru studierea structurii protonilor polarizați prin spin.

Un upgrade major este Electron-Ion Collider (EIC), adăugarea unei facilități de fascicul de electroni de 18 GeV de înaltă intensitate, care permite coliziunile electron-ion. Cel puțin un detector nou va trebui să fie construit pentru a studia coliziunile. O revizuire este dată de A. Deshpande și colab. O descriere mai recentă afirmă:

”Pe 9 ianuarie 2020, a fost anunțat de Paul Dabbar, subsecretar al Departamentului SUA pentru Energie al Biroului de Știință, că proiectul BNL eRHIC a fost selectat pentru viitorul collider electron-ion (EIC) din Statele Unite. În plus față de selecția site-ului, a fost anunțat că BNL EIC a achiziționat CD-0 de la Departamentul de Energie.