Результаты изучения ядерных столкновений

Текущая ситуация

Большой адронный коллайдер умеет сталкивать не только протоны, но и тяжелые ядра. Главная научная задача таких экспериментов — изучить свойства адронного вещества при высокой температуре и давлении, а также проверить, как меняются характеристики частиц, когда они погружены в эту плотную и горячую среду.

По состоянию на сентябрь 2017 года ситуация с изучением ядерных столкновений такова:

Сеансы работы

За всё время работы LHC было проведено несколько сеансов ядерный столкновений длительностью примерно в месяц. Ядра свинца сталкивались либо друг с другом (Pb+Pb), либо, в асимметричном режиме, с протонами (p+Pb).

• Сеанс 2010 года, Pb+Pb, энергия 1,38 ТэВ/нуклон, накопленная статистика 9 μb⁻¹.
• Сеанс 2011 года, Pb+Pb, энергия 1,38 ТэВ/нуклон, статистика 150 μb⁻¹.
• Сеанс 2013 года, p+Pb, энергия столкновений 5,02 ТэВ на нуклонную пару, статистика 31 nb⁻¹.
• Сеанс 2015 года, Pb+Pb, энергия 2,51 ТэВ/нуклон, статистика 600 μb⁻¹.
• Сеанс 2016 года, p+Pb, энергия энергия столкновений 5,02 ТэВ и 8,16 ТэВ на нуклонную пару, статистика 34 nb⁻¹ (LHCb), 43 nb⁻¹ (ALICE), 190 nb⁻¹ (CMS).

Пояснения к выбору энергий столкновения можно найти в описаниях сеансов.

Основные вопросы и результаты

Проявления кварк-глюонной плазмы

• Множественность и распределение по быстроте: Коллаборация ALICE представила первые данные по протон-ядерным столкновениям (октябрь 2012).
• Распределение по поперечным импульсами: Детектор ALICE изучает тонкие эффекты в рождении адронов (август 2013).
• Измерения эллиптического потока: Детектор ALICE приступил к изучению кварк-глюонной плазмы (ноябрь 2010).
• Эффект гашения струй: Детектор ATLAS зарегистрировал дисбаланс струй в ядерных столкновениях (ноябрь 2010).

Характеристики кварк-глюонной плазмы

• Начальная температура: 300 МэВ, около 3 триллионов градусов.
• Время жизни до адронизации: примерно 35 йоктосекунд.
• Объем кварк-глюонной плазмы в момент адронизации достигает 5000 кубических фемтометров.
• Числа вполне согласуются с экстраполяциями из области меньших энергий, где есть данные коллайдера тяжелых ионов RHIC.

Свойства частиц в кварк-глюонной плазме

• Адроны, погруженные в горячую кварк-глюонную плазму, могут менять свою массу и прочие характеристики и даже диссоциировать на отдельные кварки и антикварки. Всё это доступно изучению через лептонные распады мезонов.
• Измерено последовательное разрушение мезонов в кварк-глюонной плазме (август 2012).
• Тяжелые мезоны по-разному плавятся в кварк-глюонной плазме (июнь 2011).

Сравнение p+p, p+Pb, Pb+Pb столкновений

• Два главных вопроса: как изменяются вероятности рождения частиц при переходе от протонов к ядрам, и где та граница, за которой можно говорить о настоящем рождении капельки кварк-глюонной плазмы.
• Самый первый неожиданный результат, полученный коллайдером еще в 2010 году: Детектор CMS обнаружил необычные корреляции частиц (сентябрь 2010).
• Детальное изучение процесса адронизации: Детектор ALICE изучает тонкие эффекты в рождении адронов (август 2013).
• Появляются новые намеки на кварк-глюонную плазму в протонных столкновениях (май 2017).

Побочные результаты ядерных столкновений

• Уникальный эксперимент с фиксированной мишенью в детекторе LHCb: Необычный эксперимент на LHC поможет разобраться с загадкой космических антипротонов (апрель 2017).
• электромагнитные процессы, сопровождающие ядерные столкновения: Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете (февраль 2017).
• Первые шаги «антиядерной физики»: ALICE измерил массы и энергии связи легких антиядер (август 2015).
• Поиск шестикварковых адронов (дибарионов) в ядерных столкновениях: ALICE не видит многокварковые адроны (июль 2015).

Дополнительные ссылки

• В. А. Салеев, Кварк-глюонная плазма — новое состояние вещества // Соросовский образовательный журнал, 2000 г.
• В. Л. Коротких, Физика столкновений ультрарелятивистских ядер // учебное пособие МГУ, 2008 г.; современное состояние дел см. в слайдах его же лекционного курса 2017 года.
• P. Foka, M. A. Janik, An overview of experimental results from ultra-relativistic heavy-ion collisions at the CERN LHC: Bulk properties and dynamical evolution // Reviews in Physics 1, 154 (2016).
• P. Foka, M. A. Janik, An overview of experimental results from ultra-relativistic heavy-ion collisions at the CERN LHC: Hard probes // Reviews in Physics 1, 172 (2016).
• C. A. Salgado, Lectures on high-energy heavy-ion collisions at the LHC // arXiv:0907.1219 — вводные лекции по столкновениям ядер на LHC.
• Научные результаты по ядерным столкновениям и опубликованные статьи на сайтах коллабораций: ALICE, ATLAS, CMS.
• B. Muller, J. Schukraft, B. Wyslouch, First Results from Pb+Pb collisions at the LHC // arXiv:1202.3233.
• C. A. Salgado et al, Proton-Nucleus Collisions at the LHC: Scientific Opportunities and Requirements // arXiv:1105.3919 — научные цели асимметричного режима протон-ядерных столкновений.
• J. A. Baltz et al, The Physics of Ultraperipheral Collisions at the LHC // arXiv:0706.3356 — физика ультрапериферических столкновений (т. е. столкновений без касания ядер) в преддверии запуска LHC.
• Крошечные капли кварк-глюонной плазмы образуются и в несимметричных ядерных столкновениях // «Элементы», 17.10.2015 — исследование, выполненное коллаборацией PHENIX на ускорителе тяжелых ионов RHIC.

 
Предыдущую версию этой страницы, по состоянию на конец 2013 года, см. здесь.