ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ) je jedním ze sedmi experimentálních detektorů postavených na Large Hadron Collider v CERNu . Dalších šest je: ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , LHCf a MoEDAL .
Detektor ALICE je optimalizován pro studium srážek těžkých iontů s energií těžiště 2,76 TeV na jaderný pár. V důsledku srážky se očekává hustota energie a teploty nezbytné pro vznik kvark-gluonového plazmatu , stavu hmoty, ve kterém jsou kvarky a gluony ve volné formě [1] . Předpokládá se, že podobné podmínky existovaly v prvních zlomcích sekundy po Velkém třesku , dokud se kvarky a gluony nespojily a vytvořily hadrony a těžší částice. [2]
ALICE se zaměřuje na fyziku silně interagující hmoty při extrémně vysokých hustotách energie. Existence kvark-gluonového plazmatu a jeho vlastnosti jsou klíčovou otázkou v kvantové chromodynamice , která je nezbytná pro vysvětlení omezení a obnovení chirální symetrie. Obnovení tohoto původního stavu hmoty a pochopení toho, jak se vyvíjí, by mělo vrhnout světlo na otázky o organizaci hmoty, o mechanismech, které spojují kvarky a gluony, o povaze silných interakcí a o tom, jak tyto interakce tvoří většinu hmoty běžných látek. .
Kvantová chromodynamika předpovídá, že za přítomnosti dostatečně vysoké hustoty energie nastává fáze přechodu z obyčejné hadronové hmoty, kdy jsou kvarky uzavřeny uvnitř jaderných částic, do plazmy kvarků a gluonů ve stavu deconfinement. Opačný proces tohoto přechodu nastal, když stáří vesmíru bylo pouhých 10 −6 sekund. V současnosti se tento proces může odehrávat v centrech kolabujících neutronových hvězd nebo jiných astrofyzikálních objektů. [3] [4]
Myšlenka vytvořit speciální LHC detektor pro těžké ionty byla poprvé oznámena na valné hromadě „Towards the LHC Experimental Programme“ v březnu 1992. V souladu s prezentovanými myšlenkami byla zorganizována spolupráce ALICE a v roce 1993 byl předložen dopis o záměru. [5]
Původně, v roce 1993, byl detektor navržen jako centrální, ale byl doplněn o pokročilý mionový spektrometr vyvinutý v roce 1995. V roce 1997 dal výbor LHC spolupráci „zelenou“ k dokončení návrhu a konstrukce. [6]
Prvních 10 let bylo věnováno designu a rozsáhlé výzkumné a vývojové činnosti. Jako u všech projektů LHC se od samého začátku ukázalo, že složité úkoly, kterým čelila fyzika těžkých iontů, neodpovídaly existujícím technologiím ani z hlediska úrovně, ani z hlediska nákladů. Aby bylo možné uvést do praxe to, o čem fyzici snili pouze na papíře, bylo zapotřebí významných vylepšení a někdy i technologického průlomu. Zpočátku velmi rozsáhlé a později více specializované, dobře organizované a finančně podporované výzkumné a vývojové aktivity prováděné po většinu 90. let 20. století vedly k mnoha evolučním a revolučním pokrokům v detektorech, elektronice a výpočetní technice.
Vývoj speciálního uspořádání pro těžké ionty začalo v 90. letech 20. století pro použití v LHC o 15 let později a představovalo skličující výzvy. Detektor musel být všestranný – schopný měřit většinu signálů potenciálního zájmu, i když by se jejich význam projevil později – a flexibilní, aby bylo možné přidávat a upravovat, aby vyhovovaly potřebám nových paralelních linií výzkumu. U obou cílů se ALICE docela dařilo, protože obsahovala řadu funkcí, jejichž důležitost se ukázala až později. Byla přidána řada důležitých detektorových systémů, počínaje mionovým spektrometrem v roce 1995, detektorem přechodového záření v roce 1999 a velkým kalorimetrem přidaným v roce 2007.
ALICE zaznamenala data z první srážky olova na LHC v roce 2010. Soubor dat ze srážek těžkých iontů v letech 2010 a 2011 a protonů a olova v roce 2013 poskytl vynikající základ pro hloubkový pohled na fyziku QGP.
Od roku 2014, po více než třech letech úspěšného provozu, procházel detektor ALICE během dlouhé odstávky [LS1] komplexu urychlovačů CERN změnami v souladu s programem konsolidace a modernizace. Byl nainstalován nový subdetektor nazvaný Dual Jet Calorimeter (DCAL) a všech současných 18 subdetektorů bylo modernizováno. Došlo také k modernizaci infrastruktury ALICE, včetně elektroinstalace a chladicích systémů. Bohatství publikovaných vědeckých výsledků a intenzivní program modernizace přilákaly mnoho institucí a vědců po celém světě. Spolupráci dnes tvoří 1300 vědců ze 110 ústavů ve 36 zemích světa.
Hledání kvark-gluonového plazmatu začalo v CERNu a Brookhavenu s použitím lehčích iontů v 80. letech, což vedlo k lepšímu pochopení QCD [7] [8] . Současný program v těchto laboratořích zahrnuje ultrarelativistické srážky těžkých iontů a jejich urychlovače dosahují energetického prahu, při kterém by měla existovat přechodová fáze. LHC s energií v systému těžiště asi 5,5 TeV/nukleon dosahuje ještě vyšších energetických hodnot.
Během čelních srážek iontů olova v LHC do sebe narážejí stovky protonů a neutronů o energiích několika TeV. Pb ionty jsou urychleny o více než 99,9999 % rychlosti světla a jejich srážky v LHC jsou 100x silnější než protonové - hmota v místě interakce se zahřeje na teplotu téměř 100 000x vyšší než v jádře LHC. Slunce.
Při srážce jader Pb dochází v hmotě k přechodu, kdy se na krátký okamžik vytvoří kapka prvotní hmoty, tzv. kvark-gluonové plazma, o které se vědci domnívají, že naplnila vesmír v prvních mikrosekundách po velkém třesku.
Kvark-gluonové plazma vzniká, když se protony a neutrony „roztaví“ na své elementární složky a kvarky a gluony se asymptoticky uvolní. Kapka QGP se okamžitě ochladí a jednotlivé kvarky a gluony (společně nazývané partony ) se rekombinují v bouři obyčejné hmoty létající všemi směry. [9] Fragmenty obsahují částice, jako jsou piony a kaony , které se skládají z kvarku a antikvarku; protony a neutrony ze tří kvarků; stejně jako množství antiprotonů a antineutronů , které se mohou sloučit za vzniku jader antiatomů, jejichž hmotnost se rovná héliu. Studiem rozložení energie v těchto fragmentech lze získat mnoho nových dat.
LHC vytvořil první srážku iontů olova 7. listopadu 2010 asi v 0:30 SEČ. [10] [11]
K prvním srážkám v centru ALICE, ATLAS, CMS došlo necelých 72 hodin poté, co LHC dokončil svůj první protonový boost a přešel na Pb iontové svazky. Jádro Pb se skládá z 82 protonů, LHC urychluje každý proton na energii 3,5 TeV, což má za následek energii 287 TeV na paprsek a celkovou energii jaderné srážky 574 TeV.
Během každého testu bylo emitováno až 3 000 nabitých částic, které jsou zde znázorněny jako čáry vycházející z místa srážky. Barvy čar ukazují, kolik energie nese každá částice po interakci.
Práce LHC v roce 2013 začala experimenty na srážce protonů s ionty olova. [12] Experiment byl proveden s protisměrně rotujícími svazky protonů a iontů Pb a začal s centrovanými dráhami s různými cyklickými frekvencemi, které byly poté samostatně urychleny na maximální energii pro urychlovač. [13]
První experimenty s p-Pb na LHC trvaly jeden měsíc, kdy byla získána data, která pomáhají spolupracujícím fyzikům odlišit účinky plazmatu od účinků, které pocházejí ze studené jaderné hmoty, což přispívá ke studiu QGP.
V případě kolizí Pb-Pb se konfigurace kvarků a gluonů, které tvoří protony a neutrony urychleného jádra olova, může poněkud lišit od samostatně urychlených protonů. Abychom pochopili, zda některé z efektů, které vidíme při porovnávání kolizí Pb-Pb a pp, jsou způsobeny spíše tímto konfiguračním rozdílem než tvorbou plazmatu, je použití kolizí Pb-protonů ideálním nástrojem pro zkušenost.
| Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) | |||
|---|---|---|---|
| Cyklický urychlovač budoucnosti |
| ||
| Velký hadronový urychlovač s vysokou svítivostí |
| ||
| Velký hadronový urychlovač |
| ||
| Velký elektron-pozitronový srážeč |
| ||
| Proton Super Synchrotron |
| ||
| Protonový synchrotron |
| ||
| Lineární urychlovače |
| ||
| Další urychlovače a experimenty |
| ||
| příbuzný | |||