Alat Gergasi Hadron Collider (LHC) CERN - Untuk Mencari Partikel Gelap (Dark Matter)

 

Alat gergasi Hadron Collider (LHC) di CERN biasanya bertembung proton bersama-sama. Perlanggaran proton-proton inilah yang menyebabkan penemuan boson Higgs pada tahun 2012. Tetapi pemecut terbesar di dunia juga dirancang untuk menghancurkan ion-ion berat, terutamanya inti atom plumbum, dan ia melakukannya setiap tahun selama kira-kira satu bulan . Dan sekurang-kurangnya dua sebab yang baik. Pertama, perlanggaran ion berat di LHC mencipta semula dalam keadaan makmal plasma quark dan gluon yang dianggap telah wujud sejurus selepas Big Bang. Kedua, perlanggaran dapat digunakan untuk menguji dan mengkaji, pada suhu dan kepadatan buatan manusia tertinggi, ramalan asas kromodinamik kuantum, teori kekuatan kuat yang mengikat quark dan gluon bersama menjadi proton dan neutron dan akhirnya semua inti atom.

LHC bukanlah mesin pertama yang mencipta semula masalah Big Bang: pada tahun 2000, eksperimen di Super Proton Synchrotron di CERN menemui bukti yang kuat mengenai plasma quark-gluon. Kira-kira lima tahun kemudian, eksperimen di Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Brookhaven National Laboratory di AS memulakan era penyelidikan terperinci mengenai plasma quark-gluon. Namun, dalam 10 tahun sejak ia mencapai benturan pada tenaga yang lebih tinggi daripada pendahulunya, LHC telah melakukan kajian plasma quark-gluon ke ketinggian baru yang luar biasa. Dengan menghasilkan plasma quark-gluon yang lebih panas, padat dan berumur lebih lama serta sebilangan besar dan pelbagai zarah yang dapat digunakan untuk mengkaji sifat dan kesannya, LHC telah membenarkan ahli fizik untuk mengkaji plasma quark-gluon dengan tahap yang belum pernah terjadi sebelumnya. perincian. Lebih-lebih lagi, mesin ini telah memberikan beberapa hasil yang mengejutkan, mendorong kajian teori baru mengenai keadaan ini.

Kursus perlanggaran berat

Apabila nukleus berat saling bersentuhan di LHC, beratus-ratus proton dan neutron yang membentuk inti melepaskan sebahagian besar tenaga mereka ke dalam jumlah yang kecil, membuat bola api quark dan gluon. Sebilangan kecil plasma quark-gluon ini hanya ada untuk seketika, dengan quark dan gluon individu, yang secara kolektif dikenali sebagai parton, membentuk zarah komposit dan antipartikel yang cepat terbang ke semua arah. Dengan mengkaji zarah zarah yang dihasilkan dalam perlanggaran - sebelum, semasa dan selepas plasma diciptakan - penyelidik dapat mengkaji plasma dari saat ia dihasilkan sehingga ia sejuk dan memberi jalan kepada keadaan di mana zarah komposit yang disebut hadron boleh membentuk. Walau bagaimanapun, plasma tidak dapat dilihat secara langsung. Kehadiran dan sifatnya disimpulkan dari tandatangan eksperimen yang ditinggalkannya pada zarah-zarah yang dihasilkan dalam perlanggaran dan perbandingannya dengan model teori.

Kajian sedemikian boleh dibahagikan kepada dua kategori yang berbeza. Jenis kajian pertama menyiasat ribuan zarah yang muncul dari perlanggaran ion berat secara kolektif, memberikan maklumat mengenai sifat makroskopik global plasma quark-gluon. Jenis kedua memberi tumpuan kepada pelbagai jenis zarah dengan massa atau momentum yang besar, yang dihasilkan lebih jarang dan menawarkan tingkap ke dalam, mikroskopik dalaman media.

Di LHC, kajian-kajian ini dilakukan oleh kolaborasi di belakang keempat-empat eksperimen LHC utama: ALICE, ATLAS, CMS dan LHCb. Walaupun ALICE pada mulanya dirancang khusus untuk menyelidiki plasma quark-gluon, tiga eksperimen lain juga sejak bergabung dalam penyelidikan ini.

"Jika kita mendengarkan dua alat muzik yang berbeda dengan mata tertutup, kita dapat membedakan antara instrumen itu walaupun mereka memainkan nada yang sama. Sebabnya ialah nota dilengkapi dengan sekumpulan nada yang memberikan suara yang unik kepada instrumen. Ini hanyalah satu contoh betapa nada yang mudah tetapi kuat dalam mengenal pasti sifat material. Ahli fizik ion berat telah belajar bagaimana menggunakan "nada" dalam kajian mereka mengenai plasma quark-gluon. Tahap awal perlanggaran ion berat menghasilkan riak dalam plasma yang bergerak melalui medium dan merangsang nada. Nada nada seperti itu dapat diukur dengan menganalisis aliran kolektif zarah yang terbang keluar dari plasma dan mencapai pengesan. Walaupun pengukuran sebelumnya hanya menunjukkan indikasi pertama nada ini, eksperimen LHC telah memetakannya secara terperinci. Dikombinasikan dengan langkah lain dalam ketepatan, data ini telah digunakan oleh ahli teori untuk mencirikan sifat plasma, seperti suhu, ketumpatan tenaga dan ketahanan geseran, yang lebih kecil daripada cecair lain yang diketahui, ”jelas Wiedemann.

Penemuan ini kemudiannya disokong dalam pelbagai cara. Sebagai contoh, kerjasama ALICE menganggarkan suhu plasma dengan mengkaji foton yang dipancarkan oleh bola api panas. Suhu yang dianggarkan, kira-kira 300 MeV (1 MeV adalah kira-kira 1010 kelvin), berada di atas suhu yang diramalkan yang diperlukan untuk plasma dibuat (kira-kira 160 MeV), dan kira-kira 40% hig

dia daripada yang diperoleh oleh collider RHIC.

Contoh lain adalah anggaran ketumpatan tenaga plasma pada peringkat awal perlanggaran. ALICE dan CMS memperoleh nilai dalam julat 12-14 GeV per femtometre kubik (1 femtometre adalah 10-15 meter), kira-kira 2-3 kali lebih tinggi daripada yang ditentukan oleh RHIC, dan sekali lagi di atas ramalan ketumpatan tenaga yang diperlukan untuk plasma untuk bentuk (kira-kira 1 GeV / fm3).