ALICE

ALICE (сокращение от A Large Ion Collider Experiment) — один из четырёх основных детекторов на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), предназначенный для изучения кварк-глюонной плазмы (КГП) — состояния материи, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва. Эксперимент специализируется на столкновениях тяжёлых ионов (свинца) при высоких энергиях, что позволяет воссоздавать условия, близкие к тем, что были во Вселенной через несколько микросекунд после её рождения.

История

Проект ALICE был официально утверждён ЦЕРН в 1993 году. Разработка и строительство детектора велись международной коллаборацией, в которую вошли учёные из более чем 30 стран, включая Россию. Первые данные были получены в 2008 году, когда начались тестовые запуски БАК. Полноценные сеансы столкновений протонов и ионов свинца начались в 2010 году. В 2018 году детектор прошёл модернизацию в рамках второго этапа (Run 2), а в 2022 году — в рамках третьего этапа (Run 3), что позволило увеличить скорость набора данных в 50 раз.

Устройство и принцип работы

ALICE представляет собой многослойный детектор длиной 26 метров, высотой 16 метров и массой около 10 000 тонн. Он состоит из нескольких подсистем, каждая из которых отвечает за регистрацию определённых частиц:

• Внутренняя трековая система (ITS) — расположена ближе всего к точке столкновения, состоит из кремниевых пиксельных и дрейфовых детекторов для точного определения траекторий частиц.
• Время-проекционная камера (TPC) — основной трекер, заполненный газом, в котором ионизированные частицы оставляют следы, позволяя восстановить их импульс и энергию.
• Диэлектрический калориметр (EMCal) — измеряет энергию фотонов и электронов.
• Мюонный спектрометр — регистрирует мюоны, образующиеся при распаде адронов.
• Детекторы идентификации частиц — TOF (времяпролётный детектор), HMPID (черенковский детектор) и другие.

Принцип работы основан на регистрации продуктов столкновения ионов: сотен тысяч частиц, разлетающихся из точки взаимодействия. Детектор восстанавливает их траектории, импульсы и типы, что позволяет реконструировать свойства кварк-глюонной плазмы.

Научные задачи

Основная цель ALICE — изучение сильного взаимодействия в экстремальных условиях высокой плотности и температуры. Ключевые задачи включают:

• Исследование кварк-глюонной плазмы — определение её вязкости, температуры, плотности и времени жизни.
• Изучение механизма адронизации — процесса, при котором кварки и глюоны объединяются в адроны.
• Поиск новых состояний материи — например, странной материи или экзотических частиц.
• Тестирование квантовой хромодинамики (КХД) — проверка предсказаний теории при высоких энергиях.

Ключевые результаты

С момента запуска ALICE предоставил ряд важных данных:

• Подавление струй — в 2010 году коллаборация подтвердила, что в столкновениях свинца наблюдается подавление выхода частиц с высоким поперечным импульсом, что является признаком образования КГП.
• Измерение вязкости — в 2015 году было установлено, что кварк-глюонная плазма обладает наименьшей вязкостью среди всех известных жидкостей, близкой к теоретическому пределу.
• Эллиптический поток — обнаружено, что КГП ведёт себя как почти идеальная жидкость с коллективным движением частиц.
• Странная материя — в 2017 году зафиксированы события с повышенным выходом странных частиц, что указывает на возможное образование странной материи.

Участники и коллаборация

В эксперименте ALICE участвуют более 2000 учёных из 180 институтов в 40 странах. Российские организации, внёсшие вклад в создание и эксплуатацию детектора, включают:

• Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН)
• Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна)
• Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова (МГУ)
• Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ)
• Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Российские учёные участвовали в разработке систем ITS, TPC и мюонного спектрометра.

Модернизация и перспективы

В 2022 году ALICE прошёл модернизацию, включающую:

• Установку нового внутреннего трекера (ITS2) — с улучшенным разрешением и скоростью считывания.
• Обновление системы сбора данных — для обработки 50 000 столкновений в секунду.
• Внедрение технологии GPU — для ускорения реконструкции событий.

Планируется, что в рамках Run 3 (2022–2025) ALICE соберёт данные с интегральной светимостью, в 10 раз превышающей предыдущие сеансы. В перспективе после 2030 года рассматривается создание детектора ALICE 3 с ещё более высокими характеристиками.

Критика и ограничения

Эксперимент ALICE не подвергался значительной научной критике, однако существуют технические ограничения:

• Сложность интерпретации данных — из-за большого числа частиц в событии (до 50 000) восстановление точных параметров КГП требует сложных моделей.
• Ограниченная энергия — БАК работает при энергиях до 5,02 ТэВ на нуклон, что может быть недостаточно для изучения некоторых предсказанных фазовых переходов.
• Зависимость от теории — многие выводы основаны на моделях КХД, которые не полностью проверены.

Интересные факты

• Название ALICE является отсылкой к книге Льюиса Кэрролла «Алиса в Стране чудес», что символизирует исследование неизведанного мира микромира.
• Детектор ALICE — единственный на БАК, спроектированный специально для ионных столкновений, хотя он также регистрирует протон-протонные соударения.
• В 2013 году коллаборация ALICE опубликовала статью о наблюдении «антимолекул» — антигелия-4, образовавшегося при столкновениях.

Источники

• CERN. The ALICE Experiment. — Geneva: CERN, 2023.
• ALICE Collaboration. The ALICE experiment at the CERN LHC. — Journal of Instrumentation, 2008.
• A. Andronic et al. Heavy-ion physics with ALICE. — Physics Reports, 2020.
• ИЯИ РАН. Участие России в эксперименте ALICE. — Москва, 2022.
• ОИЯИ. Вклад в создание детектора ALICE. — Дубна, 2021.