ALICE ( Experimento del Gran Colisionador de Iones ) es uno de los siete detectores experimentales construidos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN . Los otros seis son: ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , LHCf y MoEDAL .
El detector ALICE está optimizado para estudiar colisiones de iones pesados con un centro de masa de energía de 2,76 TeV por par nuclear. Como resultado de la colisión, se esperan la densidad de energía y las temperaturas necesarias para la formación de un plasma de quarks-gluones , un estado de la materia en el que los quarks y los gluones se encuentran en forma libre [1] . Se cree que existieron condiciones similares en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang , hasta que los quarks y los gluones se unieron para formar hadrones y partículas más pesadas. [2]
ALICE se centra en la física de la materia que interactúa fuertemente a densidades de energía extremadamente altas. La existencia de un plasma de quarks-gluones y sus propiedades es una cuestión clave en la cromodinámica cuántica , necesaria para explicar el confinamiento y restaurar la simetría quiral . Recrear este estado original de la materia y comprender cómo evoluciona debería arrojar luz sobre las preguntas sobre la organización de la materia, sobre los mecanismos que conectan los quarks y los gluones, sobre la naturaleza de las interacciones fuertes y cómo estas interacciones forman la mayor parte de la masa de las sustancias ordinarias. .
La cromodinámica cuántica predice que, en presencia de una densidad de energía suficientemente alta, hay una fase de transición desde la materia hadrónica ordinaria, donde los quarks están cerrados dentro de las partículas nucleares, a un plasma de quarks y gluones en un estado de desconfinamiento. El proceso inverso de esta transición tuvo lugar cuando la edad del Universo era de solo 10 −6 segundos. En la actualidad, este proceso puede ocurrir en los centros de estrellas de neutrones que colapsan u otros objetos astrofísicos. [3] [4]
La idea de crear un detector LHC especial para iones pesados se anunció por primera vez en la reunión general "Hacia el Programa Experimental LHC" en marzo de 1992. De acuerdo con las ideas presentadas, se organizó la colaboración ALICE y en 1993 se presentó una carta de intención. [5]
Inicialmente, en 1993, el detector se propuso como central, pero se complementó con un espectrómetro de muones avanzado desarrollado en 1995. En 1997, el comité del LHC dio "luz verde" a la colaboración para completar el diseño y la construcción. [6]
Los primeros 10 años se dedicaron al diseño y a extensas actividades de investigación y desarrollo. Como ocurre con todos los proyectos del LHC, desde el principio quedó claro que las complejas tareas a las que se enfrentaba la física de iones pesados no se correspondían con las tecnologías existentes ni en términos de nivel ni de coste. Se requerían mejoras significativas y, en ocasiones, un gran avance tecnológico para poner en práctica lo que los físicos soñaban solo en papel. Inicialmente muy extensas y luego más especializadas, bien organizadas y respaldadas financieramente, las actividades de I+D llevadas a cabo durante la mayor parte de la década de 1990 llevaron a muchos avances evolutivos y revolucionarios en detectores, electrónica e informática.
El desarrollo de una configuración dedicada de iones pesados comenzó en la década de 1990 para su uso en el LHC 15 años después, y planteó desafíos abrumadores. El detector tenía que ser versátil, capaz de medir la mayoría de las señales de interés potencial, incluso si su importancia se hiciera evidente más adelante, y flexible, que permitiera adiciones y modificaciones para satisfacer las necesidades de nuevas líneas de investigación paralelas. Para ambos objetivos, ALICE lo hizo bastante bien, ya que incluía una serie de características cuya importancia se hizo evidente más tarde. Se ha agregado una variedad de importantes sistemas detectores, comenzando con un espectrómetro de muones en 1995, un detector de radiación de transición en 1999 y un gran calorímetro agregado en 2007.
ALICE registró datos de la primera colisión de plomo en el LHC en 2010. El conjunto de datos de colisiones de iones pesados en 2010 y 2011, y protones y plomo en 2013, proporcionaron una base excelente para una mirada en profundidad a la física de QGP.
A partir de 2014, luego de más de tres años de operación exitosa, el detector ALICE estaba experimentando cambios de acuerdo con el programa de consolidación y modernización, durante la larga parada [LS1] del complejo acelerador del CERN. Se instaló un nuevo subdetector, llamado Dual Jet Calorimeter (DCAL), y se actualizaron los 18 subdetectores actuales. También hubo una actualización de la infraestructura de ALICE, incluidos los sistemas eléctricos y de refrigeración. La riqueza de los resultados científicos publicados y el intensivo programa de modernización han atraído a muchas instituciones y científicos de todo el mundo. Hoy, la colaboración consta de 1300 científicos de 110 institutos en 36 países del mundo.
La búsqueda de plasmas de quarks y gluones comenzó en el CERN y en Brookhaven con el uso de iones más ligeros en la década de 1980, lo que llevó a una mejor comprensión de la QCD [7] [8] . El programa actual en estos laboratorios implica colisiones de iones pesados ultrarrelativistas, y sus aceleradores alcanzan el umbral de energía en el que debería existir una fase de transición. El LHC, con una energía en el sistema del centro de masas de unos 5,5 TeV/nucleón, alcanza valores de energía aún mayores.
Durante las colisiones frontales de iones de plomo en el LHC, cientos de protones y neutrones chocan entre sí a energías de varios TeV. Los iones Pb se aceleran a más del 99,9999 % de la velocidad de la luz y sus colisiones en el LHC son 100 veces más potentes que las de los protones: la materia en el punto de interacción se calienta a una temperatura casi 100.000 veces mayor que en el núcleo del Sol.
Cuando los núcleos de Pb chocan, la materia sufre una transición en la que se forma una gota de materia primordial, el llamado plasma de quarks-gluones, por un breve momento, que los científicos creen que llenó el universo en los primeros microsegundos después del Big Bang.
Un plasma de quarks y gluones se forma cuando los protones y los neutrones se "funden" en sus constituyentes elementales, y los quarks y los gluones se liberan asintóticamente. La caída de QGP se enfría instantáneamente y los quarks y gluones individuales (llamados juntos partones ) se recombinan en una tormenta de materia ordinaria que vuela en todas direcciones. [9] Los fragmentos contienen partículas como piones y kaones , que se componen de un quark y un antiquark; protones y neutrones de tres quarks; así como una gran cantidad de antiprotones y antineutrones , que pueden combinarse para formar núcleos de antiátomos, iguales en masa al helio. Se pueden obtener muchos datos nuevos estudiando la distribución de energía en estos fragmentos.
El LHC produjo la primera colisión de iones de plomo el 7 de noviembre de 2010 alrededor de las 0:30 CET. [10] [11]
Las primeras colisiones en el centro ALICE, ATLAS, CMS tuvieron lugar menos de 72 horas después de que el LHC completara su primer impulso de protones y cambiara a haces de iones Pb. El núcleo de Pb consta de 82 protones, el LHC acelera cada protón a una energía de 3,5 TeV, lo que resulta en una energía de 287 TeV por haz y una energía de colisión nuclear total de 574 TeV.
Durante cada prueba se emitieron hasta 3000 partículas cargadas, que se muestran aquí como líneas que emanan del punto de colisión. Los colores de las líneas indican cuánta energía transporta cada partícula después de la interacción.
El trabajo del LHC en 2013 comenzó con experimentos sobre la colisión de protones con iones de plomo. [12] El experimento se llevó a cabo con haces de protones e iones Pb contrarrotantes, y comenzó con órbitas centradas con diferentes frecuencias cíclicas, luego se aceleró por separado a la energía máxima para el acelerador. [13]
Los primeros experimentos de p-Pb en el LHC duraron un mes, cuando se obtuvieron datos que ayudan a los físicos de la colaboración a diferenciar los efectos del plasma de los efectos que se originan en la materia nuclear fría, lo que contribuye al estudio de QGP.
En los casos de colisiones Pb-Pb, la configuración de los quarks y gluones que forman los protones y neutrones del núcleo principal acelerado puede diferir un poco de los protones acelerados por separado. Para comprender si algunos de los efectos que vemos al comparar las colisiones Pb-Pb y pp se deben a esta diferencia de configuración en lugar de a la formación de plasma, el uso de colisiones Pb-protones es una herramienta ideal para la experiencia.
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