ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ) este unul dintre cele șapte detectoare experimentale construite la Large Hadron Collider de la CERN . Celelalte șase sunt: ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , LHCf și MoEDAL .
Detectorul ALICE este optimizat pentru a studia coliziunile ionilor grei cu un centru de energie de masă de 2,76 TeV per pereche nucleară. Ca urmare a ciocnirii, se așteaptă densitatea de energie și temperaturile necesare formării unei plasme cuarc-gluoni , o stare a materiei în care cuarcii și gluonii sunt în formă liberă [1] . Condiții similare se crede că au existat în primele fracțiuni de secundă după Big Bang , până când quarcii și gluonii s-au legat împreună pentru a forma hadroni și particule mai grele. [2]
ALICE se concentrează pe fizica materiei care interacționează puternic la densități extrem de mari de energie. Existența unei plasme de quarc-gluon și proprietățile acesteia este o întrebare cheie în cromodinamica cuantică , necesară pentru a explica izolarea și a restabili simetria chirală . Recrearea acestei stări originale a materiei și înțelegerea modului în care evoluează ar trebui să pună în lumină întrebări despre organizarea materiei, despre mecanismele care leagă quarci și gluoni, despre natura interacțiunilor puternice și cum aceste interacțiuni formează cea mai mare parte a masei substanțelor obișnuite. .
Cromodinamica cuantică prezice că, în prezența unei densități de energie suficient de mare, există o fază de tranziție de la materia hadronică obișnuită, unde quarcii sunt închise în interiorul particulelor nucleare, la o plasmă de quarci și gluoni în stare de deconfinare. Procesul invers al acestei tranziții a avut loc când vârsta Universului era de numai 10-6 secunde. În prezent, acest proces poate avea loc în centrele stelelor neutronice care se prăbușesc sau ale altor obiecte astrofizice. [3] [4]
Ideea creării unui detector special LHC pentru ioni grei a fost anunțată pentru prima dată la adunarea generală „Către programul experimental LHC” din martie 1992. În conformitate cu ideile prezentate, a fost organizată colaborarea ALICE, iar în 1993 a fost depusă o scrisoare de intenție. [5]
Inițial, în 1993, detectorul a fost propus ca unul central, dar a fost completat de un spectrometru cu muoni avansat dezvoltat în 1995. În 1997, comitetul LHC a dat „undă verde” colaborării pentru a finaliza proiectarea și construcția. [6]
Primii 10 ani au fost petrecuți în design și activități extinse de cercetare și dezvoltare. Ca și în cazul tuturor proiectelor LHC, de la bun început a devenit clar că sarcinile complexe cu care se confrunta fizica ionilor grei nu corespundeau tehnologiilor existente nici în ceea ce privește nivelul sau costul. Au fost necesare îmbunătățiri semnificative și, uneori, o descoperire tehnologică, pentru a pune în practică ceea ce fizicienii visau doar pe hârtie. Inițial, activitățile de cercetare și dezvoltare foarte extinse și mai târziu mai specializate, bine organizate și susținute financiar, desfășurate în cea mai mare parte a anilor 1990, au condus la multe progrese evolutive și revoluționare în detectoare, electronice și calculatoare.
Dezvoltarea unei configurații dedicate cu ioni grei a început în anii 1990 pentru a fi utilizată în LHC 15 ani mai târziu și a reprezentat provocări descurajante. Detectorul trebuia să fie versatil – capabil să măsoare majoritatea semnalelor de potențial interes, chiar dacă semnificația lor avea să devină evidentă mai târziu – și flexibil, permițând adăugiri și modificări pentru a răspunde nevoilor noilor linii paralele de cercetare. Pentru ambele obiective, ALICE s-a descurcat destul de bine, deoarece a inclus o serie de caracteristici a căror importanță a devenit clară abia mai târziu. Au fost adăugate o varietate de sisteme importante de detectoare, începând cu un spectrometru cu muoni în 1995, un detector de radiații de tranziție în 1999 și un calorimetru mare adăugat în 2007.
ALICE a înregistrat date de la prima coliziune cu plumb la LHC în 2010. Setul de date de la coliziunile cu ioni grei din 2010 și 2011 și protoni și plumb în 2013, au oferit o bază excelentă pentru o privire aprofundată asupra fizicii QGP.
Începând cu anul 2014, după mai bine de trei ani de funcționare cu succes, detectorul ALICE a suferit modificări în conformitate cu programul de consolidare și modernizare, în timpul întreruperii lungi [LS1] a complexului de acceleratoare CERN. Un nou sub-detector, numit Dual Jet Calorimeter (DCAL), a fost instalat și toți cei 18 sub-detectori actuali au fost modernizați. A existat și o modernizare a infrastructurii ALICE, inclusiv a sistemelor electrice și de răcire. Bogăția de rezultate științifice publicate și programul intensiv de modernizare au atras multe instituții și oameni de știință din întreaga lume. Astăzi, colaborarea constă din 1300 de oameni de știință din 110 institute din 36 de țări ale lumii.
Căutarea plasmelor cuarc-gluoni a început la CERN și la Brookhaven cu utilizarea ionilor mai ușori în anii 1980, ceea ce a condus la o mai bună înțelegere a QCD [7] [8] . Programul actual din aceste laboratoare presupune ciocniri ultrarelativiste de ioni grei, iar acceleratorii lor ating pragul energetic la care ar trebui să existe o fază de tranziție. LHC, cu o energie în sistemul centrului de masă de aproximativ 5,5 TeV/nucleon, atinge valori energetice și mai mari.
În timpul ciocnirilor frontale ale ionilor de plumb în LHC, sute de protoni și neutroni se ciocnesc unul de altul la energii de câțiva TeV. Ionii de Pb sunt accelerați cu mai mult de 99,9999% din viteza luminii, iar coliziunile lor în LHC sunt de 100 de ori mai puternice decât cele de protoni - materia în punctul de interacțiune este încălzită la o temperatură de aproape 100.000 de ori mai mare decât în nucleul Soare.
Când nucleele de Pb se ciocnesc, materia trece printr-o tranziție în care o picătură de materie primordială, așa-numita plasmă de quarc-gluon, se formează pentru un scurt moment, despre care oamenii de știință cred că a umplut universul în primele microsecunde după Big Bang.
O plasmă de quarc-gluoni se formează atunci când protonii și neutronii se „topesc” în constituenții lor elementari, iar quarcii și gluonii devin asimptotic liberi. Picătura QGP se răcește instantaneu, iar quarcii și gluonii individuali (numiți împreună partoni ) se recombină într-o furtună de materie obișnuită care zboară în toate direcțiile. [9] Fragmentele conțin particule precum pioni și kaoni , care sunt formate dintr-un quarc și un antiquarc; protoni și neutroni din trei quarci; precum și o abundență de antiprotoni și antineutroni , care se pot combina pentru a forma nuclee de anti-atomi, egale ca masă cu heliul. O mulțime de date noi pot fi obținute prin studierea distribuției de energie în aceste fragmente.
LHC a produs prima coliziune de ioni de plumb pe 7 noiembrie 2010, la aproximativ 0:30 CET. [10] [11]
Primele coliziuni de la centrul ALICE, ATLAS, CMS au avut loc la mai puțin de 72 de ore după ce LHC și-a finalizat primul impuls de protoni și a trecut la fascicule de ioni Pb. Nucleul de Pb este format din 82 de protoni, LHC accelerează fiecare proton până la o energie de 3,5 TeV, rezultând o energie de 287 TeV pe fascicul și o energie totală de coliziune nucleară de 574 TeV.
În timpul fiecărui test au fost emise până la 3.000 de particule încărcate, prezentate aici ca linii care emană din punctul de coliziune. Culorile liniilor indică câtă energie transportă fiecare particulă după interacțiune.
Lucrările LHC în 2013 au început cu experimente privind ciocnirea protonilor cu ionii de plumb. [12] Experimentul a fost realizat cu fascicule contrarotative de protoni și ioni de Pb și a început cu orbite centrate cu frecvențe ciclice diferite, apoi accelerate separat până la energia maximă pentru accelerator. [13]
Primele experimente cu p-Pb la LHC au durat o lună, când au fost obținute date care îi ajută pe fizicienii colaboratori să diferențieze efectele plasmatice de efectele care provin din materia nucleară rece, ceea ce contribuie la studiul QGP.
În cazurile de ciocniri Pb-Pb, configurația quarcilor și gluonilor care alcătuiesc protonii și neutronii nucleului de plumb accelerat poate diferi oarecum de protonii accelerați separat. Pentru a înțelege dacă unele dintre efectele pe care le vedem atunci când comparăm coliziunile Pb-Pb și pp se datorează acestei diferențe de configurație mai degrabă decât formării plasmei, utilizarea coliziunilor Pb-protoni este un instrument ideal pentru experiență.
| Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN) | |||
|---|---|---|---|
| Ciocnitorul ciclic al viitorului |
| ||
| Ciocnitorul de hadroni mare la luminozitate ridicată |
| ||
| Marele Ciocnitor de Hadroni |
| ||
| Ciocnizor mare electron-pozitron |
| ||
| Proton Super Sincrotron |
| ||
| Sincrotronul cu protoni |
| ||
| Acceleratoare liniare |
| ||
| Alte acceleratoare și experimente |
| ||
| legate de | |||