Детектор sPHENIX готов раскрыть свойства первичной кварк-глюонной плазмы.
Новый мощный детектор частиц успешно прошёл критический тест в рамках своей цели — расшифровки состава ранней Вселенной.
Детектор sPHENIX: новый эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории
Детектор sPHENIX — это новейший эксперимент на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Он предназначен для точного измерения продуктов высокоскоростных столкновений частиц. Учёные надеются восстановить свойства кварк-глюонной плазмы (QGP) — раскалённого супа из субатомных частиц, известных как кварки и глюоны, которые, как считается, возникли в первые микросекунды после Большого взрыва.
Свойства кварк-глюонной плазмы
Подобно тому, как быстро исчезла загадочная плазма, охладившись и объединившись для формирования протонов и нейтронов, составляющих сегодняшнюю обычную материю. Теперь детектор sPHENIX провёл ключевое измерение, которое доказывает, что у него есть точность, необходимая для восстановления первоначальных свойств кварк-глюонной плазмы.
В статье, опубликованной в журнале Journal of High Energy Physics, учёные, включая физиков из Массачусетского технологического института (MIT), сообщают, что sPHENIX точно измерил количество и энергию частиц, которые вылетели из ионов золота, столкнувшихся со скоростью, близкой к скорости света.
Тест «стандартная свеча»
Этот тест считается в физике «стандартной свечой», что означает, что измерение является хорошо установленной константой, которая может быть использована для оценки точности детектора. В частности, sPHENIX успешно измерил количество заряженных частиц, которые образуются при столкновении двух ионов золота, и определил, как это число меняется при лобовом столкновении ионов по сравнению со столкновением «вскользь».
Измерения детектора показали, что лобовые столкновения породили в 10 раз больше заряженных частиц, которые также были в 10 раз более энергичными, по сравнению с менее лобовыми столкновениями.
«Это указывает на то, что детектор работает так, как должен», — говорит Гюнтер Роланд, профессор физики в MIT, который является членом и бывшим представителем коллаборации sPHENIX. «Это как если бы вы отправили новый телескоп в космос после того, как потратили на его создание 10 лет, и он сделал первый снимок. Это не обязательно снимок чего-то совершенно нового, но это доказывает, что он теперь готов начать заниматься новой наукой».
«Имея такую прочную основу, sPHENIX имеет все возможности для продвижения изучения кварк-глюонной плазмы с большей точностью и улучшенным разрешением», — добавляет Хао-Рен Жен, аспирант физического факультета MIT и ведущий соавтор новой статьи. «Исследование эволюции, структуры и свойств QGP поможет нам реконструировать условия ранней Вселенной».
Коллаборация sPHENIX
Соавторами статьи являются все члены коллаборации sPHENIX, в которую входят более 300 учёных из различных учреждений по всему миру, включая Роланда, Жена и физиков из Исследовательского и инженерного центра Бейтса Массачусетского технологического института.
Коллайдеры частиц
Коллайдеры частиц, такие как RHIC в Брукхейвене, предназначены для ускорения частиц до «релятивистских» скоростей, то есть близких к скорости света. Когда эти частицы разгоняются в противоположных циркулирующих лучах и сводятся вместе, любое столкновение может высвободить огромное количество энергии. В правильных условиях эта энергия может очень кратко существовать в виде кварк-глюонной плазмы — того же вещества, которое возникло в результате Большого взрыва.
Как и в ранней Вселенной, кварк-глюонная плазма не задерживается надолго в коллайдерах частиц. Если QGP и образуется, то существует всего 10 в минус 22 степени, или около секстиллионной доли, секунды. В этот момент кварк-глюонная плазма невероятно горяча, до нескольких триллионов градусов Цельсия, и ведёт себя как «идеальная жидкость», двигаясь как единое целое, а не как совокупность случайных частиц. Почти сразу это экзотическое поведение исчезает, и плазма охлаждается, переходя в более обычные частицы, такие как протоны и нейтроны, которые вылетают из основного столкновения.
«Вы никогда не увидите саму QGP — вы просто видите её «пепел», если можно так выразиться, в виде частиц, которые образуются при её распаде», — говорит Роланд. «С помощью sPHENIX мы хотим измерить эти частицы, чтобы восстановить свойства QGP, которая по сути исчезает в одно мгновение».
Новое поколение детектора
Детектор sPHENIX — это следующее поколение оригинального эксперимента Массачусетского технологического института по изучению ядерных взаимодействий при высоких энергиях, известного как PHENIX, который измерял столкновения тяжёлых ионов, генерируемых RHIC. В 2021 году sPHENIX был установлен вместо своего предшественника как более быстрая и мощная версия, предназначенная для обнаружения более тонких и эфемерных сигнатур кварк-глюонной плазмы.
Сам детектор размером с двухэтажный дом и весит около 1000 тонн. Он расположен на пересечении двух основных коллайдерных лучей RHIC, где релятивистские частицы, ускоренные с противоположных направлений, встречаются и сталкиваются, производя частицы, которые вылетают в детектор. Детектор sPHENIX способен фиксировать и измерять 15 000 столкновений частиц в секунду благодаря своим новым многослойным компонентам, включая микровертекс (MVTX) — субдетектор, который был разработан, построен и установлен учёными в Исследовательском и инженерном центре Бейтса Массачусетского технологического института.
Вместе системы детектора позволяют sPHENIX действовать как гигантская трёхмерная камера, которая может отслеживать количество, энергию и пути отдельных частиц во время взрыва частиц, генерируемых одним столкновением.
«SPHENIX использует достижения в области детекторных технологий с тех пор, как RHIC был запущен 25 лет назад, для сбора данных с максимально возможной скоростью», — говорит постдок Массачусетского технологического института Кэмерон Дин, который внёс основной вклад в анализ нового исследования. «Это позволяет нам впервые исследовать невероятно редкие процессы».
Осенью 2024 года учёные провели тест детектора «стандартная свеча», чтобы оценить его скорость и точность. В течение трёх недель они собирали данные с sPHENIX, пока основной коллайдер ускорял и сталкивал пучки ионов золота, движущихся со скоростью света. Их анализ данных показал, что sPHENIX точно измерил количество заряженных частиц, образовавшихся при отдельных столкновениях ионов золота, а также энергию частиц. Более того, детектор был чувствителен к «лобовости» столкновения и мог наблюдать, что лобовые столкновения породили больше частиц с большей энергией по сравнению с менее прямыми столкновениями.
«Это измерение является чётким доказательством того, что детектор функционирует в соответствии с замыслом», — говорит Жен.
«У sPHENIX веселье только начинается», — добавляет Дин. «Сейчас мы снова сталкиваем частицы и планируем делать это ещё несколько месяцев. Имея все наши данные, мы можем искать один на миллиард редких процессов, которые могут дать нам представление о таких вещах, как плотность QGP, диффузия частиц через сверхплотную материю и количество энергии, необходимое для связывания различных частиц вместе».
Эта работа была частично поддержана Управлением науки Министерства энергетики США и Национальным научным фондом.
Статья: «Измерение множественности заряженных адронов в столкновениях Au+Au при √sNN = 200 ГэВ с детектором sPHENIX».