ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ) är en av sju experimentella detektorer byggda vid Large Hadron Collider vid CERN . De övriga sex är: ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , LHCf och MoEDAL .
ALICE-detektorn är optimerad för att studera kollisioner av tunga joner med ett masscentrumenergi på 2,76 TeV per kärnkraftspar. Som ett resultat av kollisionen förväntas den energitäthet och temperaturer som krävs för bildandet av en kvarg-gluonplasma , ett tillstånd av materia där kvarkar och gluoner är i fri form [1] . Liknande förhållanden tros ha funnits under de första bråkdelen av en sekund efter Big Bang , tills kvarkar och gluoner band samman för att bilda hadroner och tyngre partiklar. [2]
ALICE fokuserar på fysiken hos starkt interagerande materia vid extremt höga energitätheter. Förekomsten av ett kvarg-gluonplasma och dess egenskaper är en nyckelfråga inom kvantkromodynamik , nödvändig för att förklara inneslutning och återställa kiral symmetri. Att återskapa detta ursprungliga tillstånd av materia och förstå hur det utvecklas bör belysa frågor om materiens organisation, om de mekanismer som förbinder kvarkar och gluoner, om karaktären av starka interaktioner och hur dessa interaktioner utgör det mesta av massan av vanliga ämnen .
Kvantkromodynamik förutspår att i närvaro av en tillräckligt hög energitäthet finns det en övergångsfas från vanlig hadronisk materia, där kvarkar är stängda inuti kärnpartiklar, till ett plasma av kvarkar och gluoner i ett avgränsningstillstånd. Den omvända processen av denna övergång ägde rum när universums ålder bara var 10-6 sekunder. För närvarande kan denna process ske i centrum av kollapsande neutronstjärnor eller andra astrofysiska objekt. [3] [4]
Idén om att skapa en speciell LHC-detektor för tunga joner tillkännagavs först vid generalmötet "Mot LHC Experimental Program" i mars 1992. I enlighet med de idéer som presenterades organiserades ALICE-samarbetet och 1993 lämnades en avsiktsförklaring. [5]
Ursprungligen, 1993, föreslogs detektorn som en central sådan, men den kompletterades med en avancerad myonspektrometer utvecklad 1995. 1997 gav LHC-kommittén samarbetet "grönt ljus" för att slutföra konstruktionen och konstruktionen. [6]
De första 10 åren ägnades åt design och omfattande forsknings- och utvecklingsaktiviteter. Som med alla LHC-projekt blev det redan från början klart att de komplexa uppgifterna som ställdes inför tungjonfysiken inte motsvarade befintliga teknologier vare sig vad gäller nivå eller kostnad. Betydande förbättringar, och ibland ett tekniskt genombrott, krävdes för att förverkliga det fysikerna drömde om bara på papper. Inledningsvis mycket omfattande och senare mer specialiserade, välorganiserade och ekonomiskt stödda FoU-aktiviteter som genomfördes under större delen av 1990-talet, ledde till många evolutionära och revolutionerande framsteg inom detektorer, elektronik och datorer.
Utvecklingen av en dedikerad installation av tunga joner började på 1990-talet för användning i LHC 15 år senare, och det innebar skrämmande utmaningar. Detektorn måste vara mångsidig – kapabel att mäta de flesta signaler av potentiellt intresse, även om deras betydelse skulle bli uppenbar senare – och flexibel, så att tillägg och modifieringar kunde möta behoven hos nya, parallella forskningslinjer. För båda målen gick ALICE ganska bra, eftersom det innehöll ett antal funktioner vars betydelse blev tydlig först senare. En mängd viktiga detektorsystem har lagts till, från och med en myonspektrometer 1995, en övergångsstrålningsdetektor 1999 och en stor kalorimeter som lades till 2007.
ALICE registrerade data från den första blykollisionen vid LHC 2010. Datauppsättningen från tunga jonkollisioner 2010 och 2011, och protoner och bly 2013, gav en utmärkt grund för en djupgående titt på QGP:s fysik.
Från och med 2014, efter mer än tre års framgångsrik drift, genomgick ALICE-detektorn förändringar i enlighet med konsoliderings- och moderniseringsprogrammet, under det långa avbrottet [LS1] av CERN-acceleratorkomplexet. En ny underdetektor, kallad Dual Jet Calorimeter (DCAL), har installerats och alla nuvarande 18 underdetektorer har uppgraderats. Det gjordes också en uppgradering av ALICE-infrastrukturen, inklusive el- och kylsystem. Den rikedom av publicerade vetenskapliga resultat och det intensiva moderniseringsprogrammet har lockat många institutioner och forskare runt om i världen. Idag består samarbetet av 1300 forskare från 110 institut i 36 länder i världen.
Sökandet efter kvarg-gluonplasma började vid CERN och Brookhaven med användning av lättare joner på 1980-talet, vilket ledde till en bättre förståelse av QCD [7] [8] . Det nuvarande programmet i dessa laboratorier involverar ultrarelativistiska tunga jonkollisioner, och deras acceleratorer når energitröskeln vid vilken en övergångsfas bör existera. LHC, med en energi i masscentrumsystemet på cirka 5,5 TeV/nukleon, uppnår ännu högre energivärden.
Under frontalkollisioner av blyjoner i LHC kraschar hundratals protoner och neutroner in i varandra vid energier på flera TeV. Pb-joner accelereras med mer än 99,9999 % av ljusets hastighet och deras kollisioner i LHC är 100 gånger kraftigare än protonjoner - materia vid interaktionspunkten värms upp till en temperatur nästan 100 000 gånger högre än i kärnan av Sol.
När Pb-kärnorna kolliderar genomgår materia en övergång där en droppe urmateria, den så kallade kvark-gluonplasman, bildas för ett kort ögonblick, vilket forskarna tror fyllde universum under de första mikrosekunderna efter Big Bang.
Ett kvarg-gluonplasma bildas när protoner och neutroner "smälter" till sina elementära beståndsdelar, och kvarkar och gluoner blir asymptotiskt fria. QGP-droppen svalnar omedelbart och individuella kvarkar och gluoner (tillsammans kallade partoner ) kombineras i en storm av vanlig materia som flyger i alla riktningar. [9] Fragment innehåller partiklar som pioner och kaoner , som består av en kvark och en antikvark; protoner och neutroner från tre kvarkar; samt ett överflöd av antiprotoner och antineutroner , som kan kombineras för att bilda kärnor av antiatomer, lika i massa som helium. En hel del nya data kan erhållas genom att studera energifördelningen i dessa fragment.
LHC producerade den första kollisionen av blyjoner den 7 november 2010 vid cirka 0:30 CET. [10] [11]
De första kollisionerna vid centret ALICE, ATLAS, CMS ägde rum mindre än 72 timmar efter att LHC slutfört sin första protonförstärkning och bytte till Pb-jonstrålar. Pb-kärnan består av 82 protoner, LHC accelererar varje proton till en energi på 3,5 TeV, vilket resulterar i en energi på 287 TeV per stråle och en total kärnkollisionsenergi på 574 TeV.
Upp till 3 000 laddade partiklar släpptes ut under varje test, här visas som linjer som utgår från kollisionspunkten. Linjefärgerna indikerar hur mycket energi varje partikel bär efter interaktionen.
LHC:s arbete 2013 började med experiment på kollision mellan protoner och blyjoner. [12] Experimentet utfördes med motroterande strålar av protoner och Pb-joner, och började med centrerade banor med olika cykliska frekvenser, och accelererade sedan separat till den maximala energin för acceleratorn. [13]
De första p-Pb-experimenten vid LHC varade i en månad, då data erhölls som hjälper samarbetsfysikerna att skilja plasmaeffekter från effekter som härrör från kall kärnämne, vilket bidrar till studiet av QGP.
I fall av Pb-Pb-kollisioner kan konfigurationen av kvarkarna och gluonerna som utgör protonerna och neutronerna i den accelererade blykärnan skilja sig något från de separat accelererade protonerna. För att förstå om några av de effekter vi ser när vi jämför Pb-Pb- och pp-kollisioner beror på denna konfigurationsskillnad snarare än plasmabildning, är användning av Pb-protonkollisioner ett idealiskt verktyg för erfarenhet.
| European Organization for Nuclear Research (CERN) | |||
|---|---|---|---|
| Framtidens cykliska kolliderare |
| ||
| Stor Hadron Collider med hög ljusstyrka |
| ||
| Large Hadron Collider |
| ||
| Stor elektron-positron kolliderare |
| ||
| Proton Super Synchrotron |
| ||
| Protonsynkrotron |
| ||
| Linjäracceleratorer |
| ||
| Andra acceleratorer och experiment |
| ||
| relaterad | |||