Az ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ) egyike annak a hét kísérleti detektornak , amelyet a CERN -ben található Large Hadron Colliderben építettek . A másik hat a következő: ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , LHCf és MoEDAL .
Az ALICE detektort 2,76 TeV /magpár tömegközéppontú nehézionok ütközésének tanulmányozására optimalizálták . Az ütközés következtében a kvark-gluon plazma kialakulásához szükséges energiasűrűség és hőmérsékletek várhatók , egy olyan halmazállapotban, amelyben a kvarkok és gluonok szabad formában vannak [1] . Feltételezik, hogy hasonló körülmények álltak fenn az Ősrobbanás utáni másodperc első töredékeiben , egészen addig, amíg a kvarkok és a gluonok össze nem kötve hadronokat és nehezebb részecskéket alkottak. [2]
Az ALICE a rendkívül nagy energiasűrűségű, erősen kölcsönható anyagok fizikájára összpontosít. A kvark-gluon plazma létezése és tulajdonságai a kvantumkromodinamika kulcskérdése , amely szükséges a bezártság magyarázatához és a királis szimmetria helyreállításához . Az anyag ezen eredeti állapotának újbóli létrehozása és fejlődésének megértése fényt derít az anyag szerveződésével, a kvarkokat és gluonokat összekötő mechanizmusokkal, az erős kölcsönhatások természetével kapcsolatos kérdésekre, valamint arra, hogy ezek a kölcsönhatások hogyan alkotják a közönséges anyagok tömegének nagy részét. .
A kvantumkromodinamika azt jósolja, hogy kellően magas energiasűrűség esetén a közönséges hadroni anyagból, ahol a kvarkok a nukleáris részecskék belsejébe záródnak, átmenet következik be a kvarkokból és gluonokból álló plazmába, amely dekonfiniált állapotban van. Ennek az átmenetnek a fordított folyamata akkor ment végbe, amikor az Univerzum kora mindössze 10–6 másodperc volt. Jelenleg ez a folyamat az összeomló neutroncsillagok vagy más asztrofizikai objektumok központjaiban fordulhat elő. [3] [4]
A nehézionok speciális LHC-detektorának létrehozásának ötletét először az 1992. márciusi "Az LHC kísérleti program felé" című közgyűlésen jelentették be. A bemutatott elképzeléseknek megfelelően megszervezték az ALICE együttműködést, és 1993-ban szándéknyilatkozatot is benyújtottak. [5]
Kezdetben, 1993-ban a detektort javasolták központi detektornak, de kiegészítették egy 1995-ben kifejlesztett fejlett müonspektrométerrel. 1997-ben az LHC bizottság „zöld utat” adott az együttműködésnek a tervezés és kivitelezés befejezéséhez. [6]
Az első 10 év tervezéssel és kiterjedt kutatási és fejlesztési tevékenységgel telt. Mint minden LHC projektnél, a kezdetektől világossá vált, hogy a nehézion-fizika előtt álló összetett feladatok sem szintjükben, sem költségükben nem felelnek meg a meglévő technológiáknak. Jelentős fejlesztésekre, és olykor technológiai áttörésre volt szükség ahhoz, hogy a gyakorlatban megvalósítsák azt, amiről a fizikusok csak papíron álmodoztak. Az 1990-es évek nagy részében kezdetben nagyon kiterjedt, majd később speciálisabb, jól szervezett és pénzügyileg támogatott K+F tevékenységek számos evolúciós és forradalmi előrelépéshez vezettek a detektorok, az elektronika és a számítástechnika területén.
Az 1990-es években elkezdődött egy dedikált nehézion-beállítás kifejlesztése az LHC-ben való használatra 15 évvel később, és ez ijesztő kihívásokat jelentett. A detektornak sokoldalúnak kellett lennie – képesnek kell lennie a potenciálisan érdeklődésre számot tartó jelek többségének mérésére, még akkor is, ha jelentősége később válik nyilvánvalóvá – és rugalmasnak, lehetővé téve a kiegészítéseket és módosításokat, hogy megfeleljenek az új, párhuzamos kutatási irányok igényeinek. Az ALICE mindkét célt jól teljesítette, mivel számos olyan funkciót tartalmazott, amelyek fontossága csak később derült ki. Számos fontos detektorrendszer került hozzáadásra, kezdve a müon spektrométerrel 1995-ben, az átmeneti sugárzás detektorával 1999-ben, és egy nagy kaloriméterrel 2007-ben.
Az ALICE a 2010-es LHC-nél történt első ólom-ütközés adatait rögzítette. A 2010-es és 2011-es nehézion-ütközések, valamint a 2013-as protonok és ólom ütközéseinek adatai kiváló alapot nyújtottak a QGP fizikájának mélyreható áttekintésére.
2014-től, több mint három év sikeres működés után, az ALICE detektor a konszolidációs és korszerűsítési programnak megfelelően a CERN gyorsítókomplexum hosszú leállása alatt [LS1] változásokon ment keresztül. Egy új aldetektor, a Dual Jet Calorimeter (DCAL) beépítésre került, és a jelenlegi 18 részdetektor mindegyikét frissítették. Az ALICE infrastruktúráját is frissítették, beleértve az elektromos és hűtőrendszereket. A rengeteg publikált tudományos eredmény és az intenzív modernizációs program számos intézményt és tudóst vonzott a világ minden tájáról. Az együttműködésben ma a világ 36 országának 110 intézetéből 1300 tudós vesz részt.
A kvark-gluon plazmák keresése a CERN-ben és Brookhavenben kezdődött könnyebb ionok használatával az 1980-as években, ami a QCD jobb megértéséhez vezetett [7] [8] . Ezekben a laboratóriumokban a jelenlegi program ultrarelativisztikus nehézion-ütközéseket foglal magában, és gyorsítóik elérik azt az energiaküszöböt, amelynél átmeneti szakasznak kell lennie. Az LHC a tömegközéppont-rendszerben körülbelül 5,5 TeV/nukleon energiával még magasabb energiaértékeket ér el.
Az LHC ólomionjainak frontális ütközésekor protonok és neutronok százai ütköznek egymásba több TeV energiával. A Pb-ionok a fénysebesség több mint 99,9999%-ával felgyorsulnak, és ütközéseik az LHC-ben 100-szor erősebbek, mint a protonosoké – az anyag a kölcsönhatási ponton majdnem 100 000-szer magasabb hőmérsékletre melegszik fel, mint a magban. Nap.
Amikor a Pb magok ütköznek, az anyag átmeneten megy keresztül, ahol egy csepp ősanyag, az úgynevezett kvark-gluon plazma képződik egy rövid pillanatra, amely a tudósok szerint az Ősrobbanás utáni első mikromásodpercekben betöltötte az univerzumot.
Kvark-gluon plazma akkor keletkezik, amikor a protonok és neutronok elemi összetevőikké "olvadnak", és a kvarkok és gluonok aszimptotikusan felszabadulnak. A QGP csepp azonnal lehűl, és az egyes kvarkok és gluonok (együtt partonok ) rekombinálódnak a minden irányban repülő közönséges anyag viharában. [9] A töredékek részecskéket tartalmaznak, például pionokat és kaonokat , amelyek egy kvarkból és egy antikvarkból állnak; három kvark protonjai és neutronjai; valamint rengeteg antiproton és antineutron , amelyek egyesülve olyan antiatommagokat képezhetnek, amelyek tömege megegyezik a héliummal. Nagyon sok új adathoz juthatunk ezeknek a töredékeknek az energiaeloszlásának tanulmányozásával.
Az LHC ólomionok első ütközését 2010. november 7-én, közép-európai idő szerint 0:30-kor produkálta. [10] [11]
Az első ütközések az ALICE, ATLAS, CMS központban kevesebb, mint 72 órával azután történtek, hogy az LHC befejezte az első protonnövelést, és átváltott Pb-ionnyalábokra. A Pb atommag 82 protonból áll, az LHC minden protont 3,5 TeV energiára gyorsít, ami sugárnyalánként 287 TeV energiát eredményez, a teljes nukleáris ütközési energiát pedig 574 TeV.
Legfeljebb 3000 töltött részecske bocsátott ki minden teszt során, itt az ütközési pontból kiinduló vonalakként mutatjuk be. A vonal színei jelzik, hogy az egyes részecskék mennyi energiát hordoznak a kölcsönhatás után.
Az LHC munkája 2013-ban protonok ólomionokkal való ütközésével kapcsolatos kísérletekkel kezdődött. [12] A kísérletet protonok és Pb-ionok egymással ellentétes forgó nyalábjaival végezték, és különböző ciklikus frekvenciájú középre állított pályákkal kezdték, majd külön-külön felgyorsították a gyorsító maximális energiájára. [13]
Az első p-Pb kísérletek az LHC-ban egy hónapig tartottak, amikor is olyan adatok születtek, amelyek segítségével az együttműködő fizikusok meg tudják különböztetni a plazmahatásokat a hideg maganyagból származó hatásoktól, ami hozzájárul a QGP tanulmányozásához.
Pb-Pb ütközések esetén a gyorsított ólommag protonjait és neutronjait alkotó kvarkok és gluonok konfigurációja némileg eltérhet a külön gyorsított protonoktól. Annak megértéséhez, hogy a Pb-Pb és a pp ütközések összehasonlításakor tapasztalt hatások egy része inkább ebből a konfigurációs különbségből, mintsem a plazmaképződésből ered, a Pb-proton ütközések alkalmazása ideális eszköz a tapasztalatszerzéshez.
| Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) | |||
|---|---|---|---|
| A jövő ciklikus ütköztetője |
| ||
| Nagy Hadronütköztető nagy fényerővel |
| ||
| A nagy hadronütköztető |
| ||
| Nagy elektron-pozitron ütköztető |
| ||
| Proton Super Synchrotron |
| ||
| Proton szinkrotron |
| ||
| Lineáris gyorsítók |
| ||
| Egyéb gyorsítók és kísérletek |
| ||
| összefüggő | |||