Физики создают условия для изучения сильного взаимодействия

Проф. Джон Лайуа (John Lajoie) недавно создал условия для ядерных исследований и многомиллионных экспериментов и огромную коллаборацию для того, чтобы делать открытия.

Конечно, сказал профессор, большие физические эксперименты, такие как PHENIX (Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment) в Брукхейвенской национальной лаборатории Департамента энергетики США в Аптоне, Нью-Йорк, расскажут нам о строительных блоках Вселенной. В случае PHENIX, физики изучают структуру, характеристики и энергии внутри каждого протона.

«Мы занимаемся тем, что изучаем, из чего состоит материя во Вселенной, которую мы видим, - сказал проф. Лайуа. - Но есть многое другое, что можно извлечь из сталкивающихся протонов и ядер золота, кроме изучения частиц, которые разлетаются».

Эксперимент PHENIX, например, использует эти столкновения, чтобы узнать о сильном ядерном взаимодействии, которое объединяет три кварка внутри протона и протоны и нейтроны в ядрах атомов. Проф. Лайуа говорит, что понимание и освоение этих сил может революционизировать нашу жизнь, как и понимание электромагнитного взаимодействия, которое позволило использовать электроэнергию и, в конце концов, положить смартфоны в наши карманы.

Со временем, когда эксперименты предоставят больше данных и лучшее понимание, научный улов может включать в себя новые технологии. Исследователи, например, могут спроектировать супертяжелые ядра, которые могут быть использованы для надежных щитов космических аппаратов, необходимых для дальних космических путешествий.

Детектор PHENIX является одним из четырех детекторов, расположенных вокруг 2,4-мильного подземного кольца коллайдера тяжелых релятивистских ионов. Коллайдер посылает два пучка протонов или тяжелых ионов золота вдоль кольца в противоположных направлениях. Они ускоряются почти до скорости света, а затем сталкиваются. Детектор, огромная машина массой 4000 тонн, 40 футов шириной, четыре этажа высотой, записывает и отслеживает различные частицы, которые разлетаются после столкновений.

Столкновения ядер золота создает температуры около 4 трлн. градусов Цельсия, в 80 раз горячее, чем в центре Солнца. Этой температуры достаточно, чтобы разбить протоны и нейтроны в ионах, освободив субатомные кварки и глюоны. Глюоны считаются носителями сильного ядерного взаимодействия.

Физики говорят, что условия воссоздают заново кварк-глюонную плазму, которая существовала около одной миллионной секунды после Большого взрыва. Физики изучают это новое состояние материи. К настоящему времени они нашли, что плазма ведет себя скорее как жидкость, чем как горячий газ.

Проф. Лайуа сказал, что ученые были ошеломлены, когда обнаружили, что кварк-глюонная жидкость является почти идеальной – она течет практически без всякой вязкости.

В последнее время исследователи были заняты подготовкой и тестированием расширения к одному из суб-детекторов PHENIX. Они добавляют кремниевый детектор, который будет близко расположен к лучам сталкивающихся протонов и ионов. Как ожидается, новое оборудование MPC-EX начнет запись данных столкновений в этом месяце.

Одной из областей для дальнейшего изучения, например, является спин протона, также известный как собственный угловой момент. Спин является постоянной характеристикой субатомных частиц: он описывает направление, в котором частица «вращается» вокруг оси. Спин также вносит вклад в магнитные свойства частицы.

Из экспериментов в 1980-х годах, физикам известно, что три кварка, которые составляют протон, могут объяснить только около 30 % его спина. Но что является источником остальных?

PHENIX и дополнительный эксперимент STAR в Брукхейвене предоставили достаточное количество данных уникальных экспериментов, которые управляют направлением спинов сталкивающихся протонов, чтобы обнаружить, что глюоны несут ответственность за дополнительные от 20 до 30 процентов спина протона.

Проф. Лайуа держит электронную считывающую карту, проходящую тестирование в лаборатории. Карта будет частью расширения детектора, которую физики добавляют в эксперименте PHENIX в Нью-Йорке

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365