RHIC

RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, релятивистский коллайдер тяжёлых ионов) — это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории (США, штат Нью-Йорк). Предназначен для изучения свойств ядерной материи в экстремальных условиях высокой плотности и температуры, в частности, для воссоздания и исследования кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, существовавшего в первые микросекунды после Большого взрыва. RHIC является единственным в мире коллайдером, способным сталкивать поляризованные протоны, что позволяет изучать спин протона.

История создания

Идея создания коллайдера для столкновений тяжёлых ионов возникла в 1980-х годах, когда физики осознали, что существующие ускорители (например, SPS в ЦЕРНе) не могут достичь энергий, достаточных для надёжного образования кварк-глюонной плазмы. Проект RHIC был официально одобрен в 1991 году, строительство началось в 1992 году на месте бывшего ускорителя AGS (Alternating Gradient Synchrotron). Первые пучки были запущены в 1999 году, а научные эксперименты начались в 2000 году. Общая стоимость строительства составила около 600 миллионов долларов США (в ценах 1990-х годов).

Устройство и технические характеристики

RHIC представляет собой кольцевой ускоритель с периметром около 3,8 км. В отличие от Большого адронного коллайдера (БАК), который использует сверхпроводящие магниты с полем 8,3 Тл, магниты RHIC (с полем около 3,5 Тл) охлаждаются жидким гелием до температуры 4,5 К (−268,65 °C). Кольцо состоит из двух независимых вакуумных камер, в которых пучки движутся в противоположных направлениях.

Система инжекции и ускорения

Ионы (например, ядра золота) сначала проходят предварительное ускорение в линейном ускорителе (Linac), затем в бустерном синхротроне (Booster), после чего попадают в AGS, где разгоняются до энергии около 10 ГэВ на нуклон. Далее пучки инжектируются в RHIC, где ускоряются до конечной энергии. Для протонов максимальная энергия составляет 255 ГэВ, для ионов золота — 100 ГэВ на нуклон (что соответствует полной энергии столкновения до 200 ГэВ на нуклонную пару).

Детекторы

На RHIC установлены четыре основных детектора, каждый из которых специализируется на определённых типах измерений:

• STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) — крупнейший детектор, предназначенный для регистрации большого числа частиц, образующихся при столкновениях. Состоит из времяпроекционной камеры (TPC) и электромагнитного калориметра, позволяет измерять треки и импульсы частиц, а также идентифицировать их типы.
• PHENIX (Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment) — детектор, оптимизированный для измерения лептонов (электронов, мюонов) и фотонов. Использует два плеча с магнитами, калориметрами и трекерами. Позволяет изучать электромагнитные зонды кварк-глюонной плазмы.
• PHOBOS — компактный детектор, работавший в 2000–2005 годах. Специализировался на измерении множественности частиц и их угловых распределений.
• BRAHMS (Broad RAnge Hadron Magnetic Spectrometer) — детектор, работавший в 2000–2006 годах. Измерял спектры адронов в широком диапазоне углов, что позволило изучать динамику столкновений.

Научные достижения

Открытие кварк-глюонной плазмы

В 2005 году коллаборации STAR и PHENIX объявили об обнаружении кварк-глюонной плазмы (КГП) — состояния, в котором кварки и глюоны не связаны в адроны, а существуют как квазисвободные частицы. Ключевым свидетельством стало наблюдение сильного подавления струй (джетов) — потоков частиц, образующихся при столкновениях. В КГП струи теряют энергию, проходя через плотную среду, что приводит к их ослаблению. Дополнительным подтверждением стало измерение коллективных потоков (эллиптического потока), указывающих на то, что КГП ведёт себя как почти идеальная жидкость с очень низкой вязкостью.

Изучение спина протона

RHIC — единственный коллайдер, способный сталкивать поляризованные протоны (с ориентацией спина вдоль или против направления пучка). Это позволило измерить вклад глюонов в спин протона. Эксперименты STAR и PHENIX показали, что глюоны дают значительный вклад (около 20–30%), но не объясняют весь спин протона, что указывает на сложную структуру кварк-глюонной динамики.

Другие результаты

• Подавление чармония: обнаружено, что частицы, содержащие очарованные кварки (J/ψ-мезоны), подавляются в КГП, что подтверждает её существование.
• Глазма: RHIC позволил изучить начальное состояние столкновения — глазму, плотное поле глюонов, предшествующее образованию КГП.
• Ядерные эффекты: измерены модификации партонных распределений в ядрах (эффект ЭМС, ядерное затенение).

Модернизации и будущее

В 2010-х годах RHIC прошёл модернизацию, получившую название sPHENIX (2016–2023). Новый детектор sPHENIX, заменивший PHENIX, предназначен для более точного измерения струй и их взаимодействия с КГП. В 2023 году началась фаза работы с ионами рутения и циркония для изучения эффектов деформации ядер. Планируется, что RHIC продолжит работу до середины 2020-х годов, после чего будет заменён новым проектом eRHIC — электрон-ионным коллайдером, который позволит изучать структуру ядер и протонов с помощью электронных пучков.

Критика и ограничения

Основным ограничением RHIC является его энергия — максимальная энергия столкновения (200 ГэВ на нуклонную пару) значительно ниже, чем у БАК (2,76 ТэВ на нуклонную пару для ионов свинца). Это ограничивает возможность изучения КГП при более высоких температурах. Кроме того, RHIC не может сталкивать протоны с энергией, достаточной для открытия новых частиц (например, бозона Хиггса), что делает его узкоспециализированным инструментом. Некоторые физики критикуют высокую стоимость эксплуатации (около 150 миллионов долларов в год) при относительно небольшом числе научных публикаций по сравнению с БАК.

Источники

• Брукхейвенская национальная лаборатория. Официальный сайт RHIC.
• Adcox, K. et al. (PHENIX Collaboration). «Formation of dense partonic matter in relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC: Experimental evaluation by the PHENIX collaboration». Nuclear Physics A, 2005.
• Adams, J. et al. (STAR Collaboration). «Experimental and theoretical challenges in the search for the quark–gluon plasma: The STAR Collaboration's critical assessment of the evidence from RHIC collisions». Nuclear Physics A, 2005.
• Bunce, G. et al. «RHIC: A relativistic heavy ion collider». Annual Review of Nuclear and Particle Science, 2000.
• Harrison, M. et al. «RHIC project overview». Particle Accelerator Conference, 1993.