כיצד פלזמה חם במיוחד, אולטרה צפופה כי היוו את היקום המוקדם שלנו מקבל את המאפיינים המסקרנים שלה

Cosmic background radiation | Scale of the universe | Cosmology & Astronomy | Khan Academy (יוני 2019).

Anonim

מלכתחילה, היו רמזים כי התנגשויות חלקיקים על יון רלטיביסטי יון קוליידר (RHIC) היו לייצר משהו יוצא דופן. זה משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE) משרד של המתקן הלאומי של המעבדה הלאומית ברוקהייבן נועד לשחזר את התנאים חם מאוד צפוף של חומר ביקום מוקדם על ידי התנגשות גרעינים אטומיים באנרגיות גבוהות מספיק כדי "להמיס" פרוטונים המרכיבים שלהם נייטרונים. ההתנגשויות היו "משחררות" את אבני הבניין הפנימיות של החלקיקים - קווארקים וגלואונים - כך שהפיסיקאים הגרעינים יכלו לבחון את התנהגותם ללא קשר לחומר הרגיל.

תוצאות מ - RHIC מראות כי המרכיבים החלקיקים הללו אכן יצרו מרק קדמוני מעולה הנקרא "פלסמה קווארק - גלואון" (QGP) - אך אחד מהם שבו הקווארקים והגלואונים, אף שהם משוחררים מהפרוטונים והנייטרונים שלהם, ממשיכים לקיים אינטראקציה חזקה. אינטראקציות חזקות אלה להפוך את זרימת פלזמה כמו נוזל כמעט מושלם.

תגליתו של RHIC של הנוזל המושלם יצאה למאמץ בן עשור ומאמץ מוצלח מאוד לאפיין את המאפיינים המדהימים שלו - הן ב- RHIC והן ב- Collicider ההדרון הגדול של אירופה (LHC), שבו הפיסיקאים עורכים מחקרים משלימים על פלסמה של קווארק-גלואון למשך מספר שבועות של כל שנה. אבל ההבנה בדיוק איך נזילות מושלמת של QGP ומאפיינים קולקטיביים אחרים נובעים מן החלקיקים המרכיבים אותה כמו נקודה נשארת תעלומה מרתקת.

כדי להתמודד עם המסתורין, קבוצה של פיזיקאים גרעיני יצרה שיתוף פעולה מדעי חדש כי ירחיב על תגליות שנעשו על ידי RHIC הקיים של STAR ו PHENIX קבוצות המחקר. שיתוף פעולה חדש זה, המורכב מוותיקי התחום והחוקרים שמתחילים את הקריירות שלהם, יש רעיונות מדויקים לגבי המדידות שחבריה היו רוצים לעשות - ותקוות לשדרוג גלאי פניקס לביצוע המדידות הללו ב- RHIC.

"מה שנותר לעשות הוא להבין כיצד מתעוררים מאפייני QGP או נובעים מהאינטראקציות של קווארק וגלואון", אמר פיסיקאי המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, גונתר רולנד, משתף פעולה של RHIC ו- LHC מזה זמן רב וכיום הוא שותף לשיתוף הפעולה החדש..

פיסיקאי ברוקהייבן, דייב מוריסון, הדובר השני, מסכים: "מצד אחד יש לנו תיאוריה מוצלחת מאוד המתארת ​​את הקווארקים והגלואונים כחלקיקים חופשיים דמויי נקודה, ומצד שני יש לנו מערכת שלמה של מדידות לתאר את המאפיינים הקולקטיביים של ה- QGP, מה שאנחנו רוצים לעשות זה לחבר את השניים - המיקרוסקופיים למיקרוסקופיים ".

לעת עתה, שיתוף הפעולה הולך על ידי שם sPHENIX: "s" על ההתמקדות שלה על חלקיקים אינטראקציה חזקה PHENIX לשימוש הצפוי של רכיבי מפתח גלאי וכי המיקום של הניסוי של טבעת RHIC פעם אחת הקיים מערכות PHENIX להשלים את הנתונים שלהם לוקח חיים בסוף השנה. אבל מנהיגי שיתוף הפעולה מדגישים כי אין צורך שחברים יהיו קשורים בעבר ל- PHENIX - או למעשה עם מחקר קודם ב- RHIC.

"זהו שיתוף פעולה חדש, ואם נקבל את ההמשך לשדרוג זה, לגלאי זה יהיו יכולות חדשות", אמר מוריסון.

מעקב אחר בדיקות מתוך פלזמה

להבין איך את התכונות של QGP לצאת מן החלקיקים הקטנים ביותר שלה דורש גלאי שיכול לעשות יותר - ומדויק יותר מדידות של מה קורה בפלסמה ב קשקשים אורך שונים.

"תחשוב על להסתכל בבריכה שמתנהגת כמו נוזל, "הסביר מוריסון. "אתה עשוי לראות גלים ומים זורמים, אם היה לך מיקרוסקופ שיכול לחייג, בשלב מסוים היית רואה מולקולות מים - החלקיקים שמרכיבים את המים, אם אתה יודע הרבה על החלקיקים האלה ואיך הם מתנהגים, אתה יכול לנסות להבין איך התכונות של הבריכה נובעות מתכונות המולקולות, זה מה שאנחנו רוצים לעשות עם QGP ".

גלאי חלקיקים הם מיקרוסקופים גרעיני הפיזיקאים להשתמש לצלול לתוך הפרטים של החומר subatomic. אבל במקום זוהר אור נראה, אלקטרונים, או צילומי רנטגן על המדגם, גלאי חלקיקים להרים אותות מחלקיקים שנוצרו בתוך ההתנגשויות. מדידת האופן שבו החלקיקים הללו נעים ומאבדים אנרגיה על ידי אינטראקציה עם הפלסמה יגלו מידע על QGP בקשקשים שבין רמת הקווארקים השונים לבין ההתנהגות הקולקטיבית ארוכת הטווח.

"חייב להיות אבולוציית ההתנהגות של אורך הגל הקצר להתנהגות ארוכי הגל, ואנחנו רוצים לחקור את המעבר הזה", אמר רולנד.

גלאי מהיר למדידות דיוק

קבוצה אחת של חלקיקים SHHIX פיסיקאים מעוניינים מעקב הם upsilons - כל אחד עשוי שני קווארקים כבדים קשורה יחד. לכל מדינה אחרת יש מסה שונה. המדענים sPHENIX רוצים להבין איך upsilons עם מסות שונות טופס ו disassociate אחרת אינטראקציה עם פלזמה.

הם מתעניינים גם בניתוח זרמים של חלקיקים הנקראים מטוסי סילון, שנוצרים כאנרגיה של קווארקים וגלואנים מתפתחים בודדים שהופכים למפל של חלקיקים חדשים. מדידת כמות האנרגיה שאבדה על ידי מטוסי אנרגיה בעלי אנרגיה גבוהה וגבוהה יותר תעביר מידע על שני סולם החלקיקים האינדיבידואלי עמוק בתוך הפלסמה ומאפייניה ארוכי הטווח.

"ככל שהמומנטום גבוה יותר, כך יש צורך בגלאי מהיר מאוד שיכול ללכוד הרבה התנגשויות כדי להגביר את הסיכויים לאיתור האירועים החשובים", אמר רולנד.

על-ידי הסרת רכיבים מיושנים מ- PHENIX והחלפתם במערכות חדשות ומעוצבות בהתאמה אישית, שיתוף הפעולה של sPHIX ימיר את הניסוי הזה לגלאי "חדש" של המדינה, אשר יוכל ללכוד עד 15, 000 אירועים בשנייה - על פני שיעור הלכידה הנוכחי של STAR של 2, 000 אירועים בשנייה, או של 5, 000 פניקס - עם כל הרכיבים הדרושים להבדיל בין שלוש המדינות המוניות של אפסילונים וקיצוץ סולם האנרגיה המלא של מטוסי סילון.

"זה גלאי הפך להיות מתאים להקליט חלק ענק של מה RHIC יכול לייצר, " אמר מוריסון.

בדיקת מרכיבי גלאי חיוניים

פיסיקאים ומהנדסים בברוקהאבן ובמקומות אחרים כבר החלו בבניית אב טיפוס ובדיקת מרכיבים שניתן להשתמש בהם כדי להשיג את השינוי הצפוי. וזה מאמץ מושך דור חדש של פיסיקאים להוט להיכנס בקומת הקרקע של הניסוי החדש.

"עבדתי על PHENIX כתלמידת גמר באוניברסיטת סטוני ברוק, ואז, בתור פוסט-דוקטורט בייל, עבדתי על הניסוי של אליס ב- LHC", אמרה מייגן קונורס, עמיתת מחקר במרכז RIKEN-BNL באוניברסיטת ברוקהייבן, ויוצרים את קבוצת המחקר שלה באוניברסיטת ג'ורג'יה סטייט בשנה הבאה. "כאשר הגעתי למקום, שני המטפלים כבר היו בריצה, אז זה הזדמנות להיות מעורב מההתחלה - לראות איך הניסויים האלה מתעוררים לחיים, להיות חלק מהיווצרות שיתוף הפעולה ומעורבים בו בניית החומרה בנוסף לניתוח הנתונים ".

חתיכת החומרה שעומדת כעת על תשומת הלב שלה היא אב טיפוס "קלורימטר" שיעקוב ויחזיר את תרסיסי החלקיקים המרכיבים מטוסי סילון, שעברו לאחרונה בדיקות מקיפות במעבדת המאיץ הלאומית של פרמי.

"מטוס טיפוסי עשוי להכיל 10 או 15 חלקיקים, אבל אתה צריך להקניט אותם מתוך מאות חלקיקים יוצא של אירוע יון כבד התנגשות, " אמר קונורס. "ואתה צריך לתפוס את כל החלקיקים כדי להיות מסוגל לשחזר את הסילון ולראות כמה אנרגיה היא מאבדת כפי שהוא עובר דרך הפלזמה."

אתה גם צריך לדעת כמה אנרגיה המטוס היה צריך להתחיל עם. רוב הזמן מטוסי נוצרים בצמדים גב אל גב. שניהם סילוני לאבד אנרגיה בפלסמה. עם זאת, במקום זאת, במקום זאת, חלקיק של אור שנקרא פוטון מקבל מיוצר גב אל גב עם סילון. אבל שלא כמו חלקיקי סילון, פוטון הירי לעבר בכיוון ההפוך אינו אינטראקציה עם קווארקים ו gluons בפלסמה, ולכן הוא לא מאבד שום אנרגיה.

"אם יש לך פוטון הולך בכיוון אחד, מטוס הולך לכיוון השני, הסילון ואת הפוטון היה באותה אנרגיה החל", הסבירה אן Sickles, משתף פעולה sPHIX מאוניברסיטת אילינוי באורבנה- Champaign שהיה מעורב גם ב עיצוב קלורימטר ובדיקה. "אז מדידת האנרגיה של הפוטון נותנת לך את נקודת ההתחלה, מדידת החלקיקים שמרכיבים את הסילון ואת הפחתת האנרגיה פוטון אומר לך כמה אנרגיה סילון איבד."

השימוש במתקן הבחינות של פרמילאב, במטליות ובחלק מתלמידיה ירה בקרן אלקטרונים דרך חלקים של קלורימטר "אלקטרומגנטי", שנועדו לעקוב אחר פוטונים וחלקיקים אחרים המרכיבים מטוסי סילון. עבור המבחנים הראשונים, האלקטרונים חלקיקים אלקטרומגנטיים טהורים כמו פוטונים שימשו סטנד-אין עבור הפוטונים. מטרת הבדיקות הייתה לוודא שכל תחומי הגלאי מגיבים בצורה דומה, ושאין הבדלים בין החלקים שנבנו על ידי Sickles לבין תלמידיה באילינוי, וחלקים שנבנו על ידי קבלן חיצוני.

לאחר מכן, הפיזיקאים הוסיפו מרכיבים של קלורימטר "hadronic" למעקב אחר הדרונים (חלקיקים עשויים יותר מקווארק אחד), אשר קונורס וצוותה עבדו עליו. הם הניחו את גלאי האדרון ישירות מאחורי הקלורימטר האלקטרומגנטי - בדיוק כשם ששני המרכיבים יסודרו בגלאי עצמו. שכבה חיצונית זו נועדה לתפוס את חלקיקי האדרון הגדולים יותר, שהופכים אותו דרך השכבה הראשונה, כך שהפיסיקאים יכולים להסביר את מלוא האנרגיה של כל מטוס.

בניית קלורימטר עבה מספיק כדי "לתפוס" את כל החלקיקים היא אחת הדרכים העיצוב של sPHIX היתרונות של 16 שנים של RHIC ההפעלה וכמה שנות ניסיון ב LHC.

"לפני שנבנה RHIC, אפילו לא ידענו כמה חלקיקים יוצרו, היינו צריכים לבנות את הגלאים כדי לכסות מגוון רחב של אפשרויות", אמר מוריסון. "עכשיו, בידיעה איך נראים ההתנגשויות וסוגי החלקיקים המיוצרים, נוכל לבנות גלאי המותאם לביצוע המדידות המתמקדות בשאלות החשובות שאנו רוצים לענות עליהן".

מגנט אדיר

בדיקה מתבצעת גם על מגנט סולויד 20 טון שנרכשו בניסוי פיזיקה לשעבר במעבדה הלאומית SLAC של DOE מעבדה. מגנט זה יהווה את לבו של גלאי ה- sPHNIX, המקיף לחלוטין את אזור ההתנגשות כמו מגנט גלילי במרכז גלאי STAR של RHIC. כמו של סטאר, מגנט sPHENIX היה לכופף את המסלולים של חלקיקים טעונים כפי שהם נובעים ההתנגשויות. אבל עם שלוש פעמים את כוח כיפוף של STAR, sPHENIX צריך להיות מסוגל להפריד את האותות של שלושה סוגים של חלקיקים upsilon, אשר ההמונים נבדלים רק על ידי כמה אחוזים.

"אפסונים לא עושים את כל הדרך עד למגנט, "הסביר מוריסון. "אלה הם חלקיקים כבדים שמתפוררים, לעתים קרובות לאלקטרון ולאנטילקטרון, שיש להם הרבה אנרגיה כשהם יוצאים, צריך שדה מגנטי חזק כדי לכופף את החלקיקים הטעונים האלה כדי שתוכלו למדוד טוב יותר את מהירותם ותנועתם, וכן להקניט את ההבדלים הקטנים כדי להפריד בין האלקטרונים שמגיעים אפסילונים בגודל שונה. "

עד כה, צוות של מהנדסים ופיסיקאים באגף מגנט-מוליך-על של ברוקהייבן, מחלקת קוליידר-מאיץ ומחלקת פיזיקה קירר את מגנט-העל עד לטמפרטורת הפעולה הקרובה כמעט-אפס של 4.2 קלווין ובדק אותה עם 100 אמפר של זרם.

"אנחנו צריכים לבדוק את הבריאות הכללית שלמות של מגנט כדי לוודא את כל המפרקים ואת הזיווגים נמצאים במקום, במקרה שהם יש דחף בעת הובלת קרוס קאנטרי", אמר מהנדס מגנט להוביל פיוש Joshi. הם בדקו גם את המערכות שג'ושי תכנן לסגור את המגנט בצורה מבוקרת, אם השדה בין שתי שכבות הסליל של המגנט יוצא אי פעם. "אתה רוצה לזהות כל חוסר איזון מהר מאוד, כך שתוכל לחלץ את האנרגיה לפני שהוא גורם נזק למגנט, " הוא אמר. הוא כתב במקור את האלגוריתמים עבור פרויקט LHC מגנט, אבל הם הוכיחו להיות שימושי בדיוק כמו בדיקות sPHENIX.

עם השלב הראשון, בדיקות שדה נמוך להשלים, הקבוצה תהיה הבאה להשתמש פלדה ממוחזרים מניסוי מבוגר אחר ברוקהייבן להקיף את המגנט להכיל השדה החזקים ביותר שלה, ואת הרמפה זה עד 4, 600 אמפר מלא.

נתיב קדימה

על ידי שימוש חוזר בציוד ובכלים שפותחו במימון של RHIC ו- LHC, ומשתפי פעולה מעוררי השראה באוניברסיטאות כדי לשבץ את המומחיות שלהם, שיתוף הפעולה המתהווה ביצע את הצעדים הראשונים הללו על הנתיב של הפיכת PHENIX ל- sPHIX. אבל הקבוצה מקווה לקבל חותמת הרשמית של אישור - ובסופו של דבר, תקציב מ DOE.

התוכנית לטווח הארוך של המדע הגרעיני - סדרה של המלצות שנעשו על ידי הוועדה המייעצת למדעי הגרעין של המדינה למנהיגים ב- DOE ובקרן הלאומית למדע - מזהה את ה- SFHENIX "גלאי הסילון המתוחכם" כ"חיוני " לחקור את פעולתו הפנימית של QGP בקשקשים קצרים וקצרים יותר, אחד משני "מטרות מרכזיות" שצוינו בדו"ח להשלמת המשימה המדעית ב- RHIC. הדו"ח מציין גם כי יש אינטרס בינלאומי משמעותי sPHIX.

"כרגע יש לנו שיתוף פעולה של 183 אנשים, וגדל", אמר מוריסון, עם מדענים אלה המייצגים 58 מוסדות ב -10 מדינות.

במבט קדימה ובהמשך המסורת של ביצוע רוב ההשקעות של האומה שלנו במדע, הפיסיקאים המתכננים את שדרוגי ה- sPHIX מעידים על כך שגלאי שעבר שינוי זה יכול להיות בשימוש חוזר כגלאי עבור קולון עתידי של יון אלקטרון - פרויקט הפיסיקה הגרעינית הבאה שזוהה ב תוכנית לטווח ארוך.

"הפיכת PENIX ל- sPHENIX תביא למקסימום את ההטבות הנגזרות מההשקעות שכבר בוצעו על ידי בניית RHIC בכך שהיא מאפשרת לנו להבין את הפלסמה של קווארק-גלואון", אמר מוריסון. "זה מה שאנחנו צריכים לעשות כדי להשלים את הסיפור של גילוי QGP ולהכין את כיווני המחקר הקרובים בפיזיקה הגרעינית."

menu
menu