Релятивистский коллайдер тяжелых ионов прекращает работу после более чем 25-летних ошеломляющих открытий
Релятивистский коллайдер тяжелых ионов состоял из двух колец (на рисунке), которые разгоняли протоны и атомные ядра до скорости, близкой к скорости света, прежде чем столкнуть их друг с другом.
Брукхейвенская национальная лаборатория/Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)
Я заглянул в детектор частиц размером с дом, известный как STAR, сразу после того, как он сделал свой последний снимок одного из самых экстремальных типов огненных шаров, когда-либо созданных. Внутри детектора условия, возникшие сразу после Большого взрыва, были воссозданы в миниатюре путем столкновения атомных ядер золота, как это делалось бесчисленное количество раз за 25 лет существования детектора. Теперь эта эпоха близилась к концу.
Физик Алекс Йентч оценил этот момент, который, по его словам, требовал неоднозначного понимания: “Либо радоваться, либо горевать — одно из двух”.
Жужжащий вентилятор взъерошил наши волосы, когда мы смотрели на STAR, представляющий собой упорядоченный клубок проводов, трубок, электроники и систем обнаружения частиц. Над нашими головами в аппарат была ввинчена удивительно тонкая труба, по которой атомные ядра — положительно заряженные ионы — выбрасывались навстречу своей гибели. В диспетчерской «СТАР», как в больнице, медленно запищали сигналы тревоги. Ученые показали на мониторе последние столкновения, фейерверк изогнутых линий синего, зеленого и голубоватого цветов.
STAR был разработан для того, чтобы запечатлеть последствия столкновений атомных ядер, движущихся почти со скоростью света, создаваемых релятивистским коллайдером тяжелых ионов, или RHIC, в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк. В настоящее время RHIC (произносится как “Рик”) столкнулся с последними пучками ядер золота, приближаясь к окончательное отключение в рамках подготовки к будущему коллайдеру следующего поколения.
Детектор STAR измерял попадания частиц и следы, образующиеся при столкновении атомных ядер золота.Брукхейвенская национальная лаборатория/Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)
Начиная с 2000-х годов, эксперименты в RHIC позволили обнаружить смесь частиц ранней Вселенной, получившую название кварк-глюонной плазмы. В ходе исследования были выявлены новые удивительные детали этого первичного «бульона» Вселенной, из которого произошли частицы, составляющие звезды, галактики, планеты и, в конечном счете, нас самих. И это только половина истории. RHIC также столкнулся с протонами, что позволило в мельчайших деталях охарактеризовать субатомные частицы и раскрыть удивительно бурный внутренний мир этих широко распространенных составляющих материи.
В день моего визита ученые переключали коллайдер на режим столкновения протонов, пытаясь собрать все возможные данные до остановки. RHIC был окончательно отключен на церемонии 6 февраля.
“RHIC провел впечатляющую работу … это больше, чем кто-либо мог мечтать”, — говорит Вольфрам Фишер, физик-ускорительщик из Брукхейвена.
Закрытие RHIC означает конец работы единственного коллайдера элементарных частиц, работающего в Соединенных Штатах, и единственного в своем роде коллайдера в мире. Большинство ускорителей элементарных частиц не способны направить два пучка частиц так, чтобы они столкнулись лоб в лоб. Именно это делают коллайдеры, и это делает их редким и ценным товаром. Другой недавний коллайдер в стране, Теватрон в лаборатории Фермилаб в Батавии, штат Иллинойс, был закрыт в 2011 году.
Но завершение работы RHIC вселяет надежду. Это открывает дорогу для электронно-ионного коллайдера, запуск которого запланирован на середину 2030-х годов. “Именно за этим будущее, и, надеюсь, оно будет столь же впечатляющим”, — говорит Фишер.
Электронно-ионный коллайдер будет построен на основе открытий RHIC. Он будет располагаться в том же туннеле и будет использовать большую часть оборудования и инфраструктуры RHIC. Но вместо того, чтобы сталкивать протоны и тяжелые атомные ядра, он будет сталкивать электроны с протонами или атомными ядрами, чтобы получить глубокое представление о структуре протона.
“Это трехмерное изображение протона во всей красе”, — говорит физик из Брукхейвена Эльке-Кэролайн Ашенауэр. Коллайдер может даже обнаружить таинственное вещество, называемое конденсатом из цветного стекла, которое, как считается, скрывается внутри протонов.
Содержание
Субатомная кроличья нора
В начале декабря я осмотрел лабораторию, ее детекторы и другие помещения. Я отправился в это путешествие отчасти потому, что Брукхейвенская национальная лаборатория имеет особое значение в моей жизни. Я вырос недалеко от лаборатории, где 3,8-километровое кольцо коллайдера окружает сосновые пустоши Лонг-Айленда. Отчасти благодаря этому я увлекся физикой и, в конечном счете, начал писать об этой области.
Подростком, участвуя в студенческой исследовательской программе в лаборатории, я был поражен, узнав, что протоны — это не просто шарики с положительным зарядом, как их изображали в учебниках. Вместо этого они состоят из более мелких частиц, называемых кварками и глюонами. Это были 1990-е, эпоха “Матрицы”, и для меня, подростка, это откровение о протоне стало моей «красной пилюлей», как говорится в фильме: мне нужно было знать, насколько глубока кроличья нора. Как оказалось, все было гораздо, гораздо глубже.
На самом простом рисунке протоны состоят из трех кварков — двух “верхних” и одного “нижнего” — и частиц, называемых глюонами, которые, в соответствии со своим названием, действуют как клей. Эти частицы передают сильное ядерное взаимодействие, которое связывает кварки внутри протонов, нейтронов и других частиц.
И это лишь малая часть огромной сложности протона. Частицы взаимодействуют с пылом квантовой механики, в которой реальность неопределенна и непостоянна. В результате они содержат “море” короткоживущих кварков и их эквивалента из антивещества, антикварков, вокруг которых роятся глюоны, как облако пыли вокруг свинарника персонажа Peanuts.
Сильное взаимодействие настолько сильно, что кварки и глюоны невозможно наблюдать по отдельности; они всегда связаны в более крупные частицы. “Законы природы запрещают им существовать по отдельности”, — говорит физик из Брукхейвена Абхай Дешпанде.
То есть, за исключением периода кратковременного существования кварк-глюонной плазмы. Такое состояние материи существовало сразу после Большого взрыва, когда Вселенная была настолько горячей, что кварки и глюоны перемешались друг с другом. Когда этот суп из частиц остыл, примерно через 10 микросекунд после рождения Вселенной из него сконденсировались протоны, нейтроны и другие частицы.
Ученые работают над компонентом звездного детектора.Брукхейвенская национальная лаборатория/Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)
Пока я в подростковом возрасте размышлял о существовании кварков, ученые из Брукхейвена пытались воссоздать эту кварк-глюонную плазму.
Установка отрывала электроны от атомов, прежде чем разогнать их до скорости, близкой к скорости света, вращая их по часовой стрелке и против часовой стрелки с помощью 1740 мощных сверхпроводящих магнитов и сталкивая частицы друг с другом. Идея заключалась в том, что при столкновении тяжелых атомных ядер они нагреваются до температуры в триллион градусов, которая расплавляет их протоны и нейтроны, превращая их в кварк-глюонную плазму. Затем многослойные детекторы будут наблюдать за образующимися обломками, надеясь идентифицировать отпечатки искомого вещества.
В 2005 году ученые с четырьмя детекторами RHIC — STAR, PHENIX, PHOBOS и BRAHMS — совместно объявили об открытии нового состояния горячей и плотной материи в специальном выпуске журнала Nuclear Physics A. Вещество, которое, как теперь подтверждено, является кварк-глюонной плазмой, просуществовало около 10 квадриллионных долей наносекунды и достигло триллионов градусов Цельсия в области диаметром всего около 10 триллионных долей миллиметра.
“Это был первый случай, когда кварки и глюоны были замечены, или, по крайней мере, наблюдались косвенно, вне протонов и нейтронов”, — говорит Дешпанде. “Это было большое событие”.
Но, к научному шоку, обнаруженное RHIC состояние вещества не было газом из свободно плавающих кварков и глюонов, каким ученые ожидали увидеть кварк-глюонную плазму. Вместо этого кварки и глюоны взаимодействовали друг с другом, как в жидкости. На самом деле, как показал RHIC, кварк-глюонная плазма является почти идеальной жидкостью, что означает, что она обладает исчезающе малой вязкостью и может течь практически без сопротивления. “У него очень своеобразный характер”, — говорит Дешпанде. ”Ему нравится течь».
Появление Сфеникса
Как только они воссоздали кварк-глюонную плазму, ученые захотели узнать о ней больше. Исследователи неоднократно модернизировали свои детекторы, чтобы лучше изучить это мимолетное состояние материи. Даже в последние годы в детектор ЗВЕЗД были добавлены новые элементы. Во время нашего визита недавно добавленные компоненты располагались на необычных платформах, подобно книгам, балансирующим на перегруженной книжной полке в давно обжитом офисе.
Исследователи PHENIX выбрали другую тактику. Вместо того, чтобы продолжать модернизировать PHENIX, они решили, что лучше начать с нуля. Ученые знали, что RHIC может работать недолго, поэтому они разработали новый прибор, который позволит жить быстро и умереть молодым. В 2023 году sPHENIX был включен.
Когда мы посетили трехэтажный детектор во время моего декабрьского тура, контраст со стареющей ЗВЕЗДОЙ был сразу очевиден. Если «СТАР» была парой походных ботинок, которыми часто пользовались — прочных, удобных, но выдающих свой возраст, — то «сФЕНИКС» была парой только что купленных кроссовок. Они были блестящими, современными и яркими, недавно выкрашенными в васильковый цвет.
Благодаря новой, более быстрой электронике и более чувствительному оборудованию, sPHENIX заработал с новой скоростью. “В этом году мы собрали больше данных, чем за все 25 лет работы RHIC”, — говорит физик Рози Рид из Университета Лихай в Вифлееме, штат Пенсильвания.
sPHENIX, который начал функционировать в 2023 году, был новейшим экспериментом в RHIC и был задуман как мост к следующему коллайдеру.Кевин Кофлин/Брукхейвенская национальная лаборатория
sPHENIX служит связующим звеном с электронно-ионным коллайдером. Во-первых, в детекторе использовалась стратегия сбора данных, которая будет необходима для новой установки.
Большинство детекторов на коллайдерах генерируют слишком много информации, чтобы сохранить ее всю. Поэтому они регистрируют только те события, которые соответствуют определенным условиям, чтобы быть интересными. Но тогда вы должны спросить: “А как насчет тех вещей, которые я не вижу?» — говорит Рид.
Компоненты sPHENIX могут безостановочно собирать данные с помощью метода, называемого потоковой передачей, ничего не выбрасывая. Именно так будет работать весь детектор электронно-ионного коллайдера, что стало возможным благодаря улучшенным возможностям компьютерной обработки и хранения данных, а также технологиям искусственного интеллекта, которые помогут просеять это множество данных.
В кабинете, примыкающем к залу, где находится «сФЕНИКС», на столе были разбросаны остатки праздничных рогаликов и сливочного сыра. Не совсем шампанское, но я вырос в этих краях, так что могу вам подсказать: рогалики — это шампанское Лонг-Айленда.
Рид говорит, что sPHENIX по-прежнему ощущает свежесть, поэтому двигаться дальше — это горько-сладко. “Никто никогда не хочет видеть, чем что-то заканчивается. Я думаю, что мы могли бы, будь у нас больше времени, сделать больше. Но я действительно счастлив и горжусь тем, чего нам удалось достичь”.
Рассказ о протонах
В диспетчерской RHIC, еще одной остановке в моем туре, координатор run Трэвис Шрей выглядел расслабленным, как будто замена ядер золота на протоны на ускорителе протяженностью 3,8 километра — это не такая уж большая проблема. “Мы не планировали запускать ”протоны» в этом году», — небрежно сказал Шрей, физик-ускоритель. “Это было сделано в последнюю минуту”. Невозмутимость, по-видимому, является желательным качеством для человека, ответственного за эксплуатацию аппарата, который настолько велик, что его видно из космоса.
Протонные лучи RHIC отличаются особой способностью: они могут быть поляризованы. Это означает, что протоны, обладающие крошечными магнитными полями, выровнены таким образом, что все их магнитные полюса направлены в одном направлении, подобно упаковкам с надписью “сюда, наверх”, перемещающимся по конвейерной ленте. Но упаковки состоят из субатомных частиц, и на конвейерной ленте они перемещаются со скоростью, близкой к скорости света.
Эти поляризованные лучи позволили RHIC исследовать протон способами, которые ранее были невозможны. В частности, они приблизили ученых к разрешению загадки, настолько волнующей физиков, что она была известна как “кризисная”, когда впервые обнаружилась в 1987 году.
Электронно-ионный коллайдер будет превращать электроны (матово-красные) в протоны (золотые), открывая снимки кварков (разноцветных шариков) и глюонов (пружинок), содержащихся внутри.Брукхейвенская национальная лаборатория/Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)
Речь идет о вращении протона, квантовом свойстве, которое придает ему магнитное поле. Спин — это квантовая версия углового момента, своего рода скорость вращения. Это может показаться абстрактным, но для частицы это так же важно, как ее масса или электрический заряд. Спин может быть целым или полуцелым и определяет роль частицы. Строительные блоки материи, такие как протоны, электроны и нейтроны, имеют спины, равные ½, и известны как фермионы. Частицы, передающие взаимодействие, такие как глюоны или фотоны, имеют целые спины и известны как бозоны. Если бы протоны были бозонами, а не фермионами, атомных ядер — и Вселенной, какой мы ее знаем, — не существовало бы.
Сначала физики ожидали, что спин протона определяется кварками, каждый из которых имеет свой собственный спин. Но эксперименты показали, что только около 30 процентов спина приходится на кварки. “Это было для меня некоторым шоком”, — говорит Йентч из Брукхейвена. “Откуда взялось все остальное?”
Поляризованные пучки протонов RHIC показали, что глюоны вносят вклад в вращение, составляя от 20 до 30 процентов. Но это все еще оставляет около половины спина необъясненным.
Лучшие достижения RHIC
2005
Открытие горячей, плотной “идеальной жидкости”
2010
Температура жидкости, в 4 триллиона градусов по Цельсию, подтверждает это
кварк-глюонная плазма
2014
Обнаружено, что глюоны вносят свой вклад в вращение протона
2015
Открытие, что антипротоны притягиваются друг к другу точно так же, как обычные протоны
2017
Кварк-глюонная плазма считается самой “вихревой” жидкостью из когда-либо существовавших
2021
Открытие того, что сталкивающиеся фотоны, частицы света, могут образовывать материю и антивещество
2023
Обнаружено, что спины глюонов совпадают со спином протона, внутри которого они находятся, что является еще одним доказательством того, что глюоны определяют спин протона
2024
Открытие самого тяжелого ядра антивещества, антигиперводорода-4
Вот тут-то и пригодится новый электронно-ионный коллайдер. Когда он будет запущен в середине 2030-х годов, он предоставит карты положений и импульсов частиц, из которых состоит протон. И это позволит ученым исследовать еще один потенциальный источник вращения. В дополнение к собственным вращениям кварков и глюонов, их вихревые движения внутри протона могут также влиять на вращение протона.
“Электрон” в электронно-ионном коллайдере имеет здесь решающее значение. Коллайдер будет использовать электроны для зондирования протонов, а не для столкновения протонов с протонами. Это меняет правила игры, потому что, в то время как протоны состоят из меньших частиц, электроны — нет. Таким образом, электрон — это более точный зонд, который позволяет получить детальное представление о внутреннем мире протонов.
“Вы можете сравнить это с электронным микроскопом”, — говорит Ашенауэр. “Это действительно высокоточный прибор, который откроет нам все секреты видимой материи, которые можно разгадать”.
Для этого требуется коллайдер, не похожий ни на один из созданных ранее. В электронно-ионном коллайдере будут использоваться пучки поляризованных электронов и пучки поляризованных ионов. Задача о поляризации обоих типов частиц непростая: в ускорителе эти два типа частиц ведут себя совершенно по-разному. Это означает, что коллайдер — это “все самое сложное, что есть в электронной машине, и все самое сложное, что есть в ионной машине”, — говорит Шрей. “А затем вы собираетесь сложить их вместе, чтобы получить совершенно новый уровень сложности. Это самая сложная машина из всех существующих”.
Для его создания Брукхейвен сотрудничает с лабораторией Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс, штат Вирджиния. И ученые начинают не с нуля. RHIC состоял из двух колец с оборудованием для управления, фокусировки и контроля двух лучей, один из которых перемещался по туннелю по часовой стрелке, а другой — против нее. Кольцо, вращающееся против часовой стрелки, останется в основном таким, как есть, для ускорения протонов и ионов. Другое будет удалено и заменено новым электронным кольцом. Кроме того, на месте останутся многочисленные ступени предускорителей, через которые проходят протоны и ионы перед входом в коллайдер.
Некоторые магниты для управления электронными пучками будут взяты из ускорителя электронов в Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, под названием Advanced Photon Source, который был модернизирован в 2024 году, что позволило использовать его магниты. Ярко-желтые электромагниты размером с мини-холодильник уже находятся в Брукхейвене, разложенные рядами на складе, как на ферме, выращивающей необычный урожай.
Компоненты STAR и sPHENIX также обретут новую жизнь в детекторе электронно-ионного коллайдера. Вы можете рассматривать отключение RHIC не как завершение, а как метаморфозу.
Квантовая сущность протона
Вполне уместно, что электронно-ионный коллайдер мог бы дать ученым еще более глубокое понимание характерного открытия RHIC — кварк-глюонной плазмы.
Некоторые из самых больших неопределенностей в исследованиях кварк-глюонной плазмы связаны с неизвестностью начальных состояний протонов и нейтронов в атомных ядрах, которые подвергаются столкновению. Таким образом, один из способов лучше понять это состояние материи — понять сам протон.
Протоны подчиняются законам квантовой физики, согласно которым объекты не существуют как конкретные сущности с фиксированными свойствами. Эта особенность “действительно отражает суть квантовой механики”, — говорит физик-теоретик из Брукхейвена Раджу Венугопалан. “То, что вы видите, зависит от того, как вы исследуете объект”. Подобно оптической иллюзии, которая может выглядеть как кролик или утка в зависимости от точки зрения, ученые по-разному видят протон в зависимости от того, как они на него смотрят.
При изучении при низких энергиях протоны выглядят как простые объекты, состоящие из трех кварков. При более высоких энергиях в игру вступает море переходных кварков и антикварков. Ученые полагают, что при самых высоких энергиях, таких как в RHIC и, в конечном счете, на электронно-ионном коллайдере, протон забивается множеством глюонов, образуя плотную стенку, называемую конденсатом из цветного стекла.
Внешний вид протонов меняется в зависимости от энергии, при которой они исследуются. При низких энергиях появляются три кварка (цветные шарики) и глюоны (желтые пружинки). При более высоких энергиях возникают переходные пары кварков и антикварков. При самых высоких энергиях преобладает плотная стена глюонов.Брукхейвенская национальная лаборатория/Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)
Считается, что при столкновении атомных ядер в RHIC глюоны в конденсатах из цветного стекла взаимодействовали друг с другом, образуя кварк-глюонную плазму. Но ученые не смогли полностью подтвердить существование этого цветного стеклянного конденсата или детально изучить его. Электронно-ионный коллайдер может это позволить. И это может иметь последствия для всей физики.
Протоны и кварк-глюонная плазма описываются теорией, называемой квантовой хромодинамикой. Математика этой теории настолько сложна, что до сих пор остается загадкой, как кварки и глюоны удерживаются внутри протона. Например, как глюоны конденсата из цветного стекла узнают, как далеко они простираются от центра протона? Понимание того, что такое конденсат из цветного стекла, может пролить свет на вопрос о его локализации.
Возможно, самое странное в конденсате из цветного стекла заключается в том, что, когда глюоны конденсируются в эти шарики, они каким-то образом теряют свою квантовую природу. “Вы представляете себе вещество внутри протона как нечто сугубо квантово-механическое, верно? Все эти кварки и глюоны как бы флуктуируют вокруг”, — говорит Венугопалан. Но, по его словам, “шарики клея”, из которых состоит конденсат цветного стекла, ведут себя как классические, а не квантовые объекты. Это означает, что изучение конденсата на цветном стекле может также помочь ученым понять, где проходит граница между квантовым и классическим миром, что является еще одной серьезной проблемой физики.
Изучение конденсата на цветном стекле может раскрыть некоторые из самых глубоких тайн физики. “Электронно-ионный коллайдер, в этом смысле, является своего рода совершенной машиной”, — говорит Венугопалан.
Убежище для любопытства
Когда я учился в старших классах средней школы, нам задали написать эссе о нашем любимом месте в округе. Большинство людей писали о пляже. Немного банально, но мы действительно жили на острове. Я написал о Брукхейвенской национальной лаборатории.
Однако до моей декабрьской поездки я не посещал это место несколько десятилетий. Почему я чувствовал себя обязанным увидеть RHIC в последний раз? Возможно, это потому, что я до сих пор поражаюсь существованию этого объекта — свидетельства того, чего могут достичь люди, если нам позволено следовать чисто научному любопытству. Из чего именно состоит Вселенная — это, пожалуй, самая фундаментальная информация, которую, возможно, хотелось бы знать. Эксперименты в RHIC, несомненно, приблизили нас к этому. В процессе работы они защитили более 600 докторских диссертаций (и вдохновили, по крайней мере, одного журналиста).
Я также хотел посетить RHIC, потому что беспокоюсь. В этот исторический момент, когда финансирование науки в США находится под угрозой, я опасаюсь, что строительство такого объекта, как электронно-ионный коллайдер, может оказаться затруднительным. Ожидается, что его строительство обойдется почти в 3 миллиарда долларов, причем большая часть средств поступит от Управления науки Министерства энергетики. Когда я спросил Дешпанде о проблемах с финансированием на собрании Американского физического общества в марте прошлого года, он отметил, что проект является результатом международного сотрудничества, и часть финансирования поступает от иностранных правительств и других источников. Но, как он сказал тогда, “мы всегда беспокоимся”.
Внутри коллайдера нового поколения
В электронно-ионном коллайдере протоны и атомные ядра будут создаваться и предварительно ускоряться (оранжевый) перед вводом в кольцо коллайдера, вращающееся против часовой стрелки (желтый). Электронный пучок будет создан и ускорен в отдельном кольце перед входом в кольцо по часовой стрелке (красное). Частицы столкнутся с одним или несколькими детекторами (зеленые), которые будут измерять
результаты.
Брукхейвенская национальная лаборатория/Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)Брукхейвенская национальная лаборатория/Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)
И Соединенные Штаты не единственные, кто участвует в этой игре. Предполагаемый электронно-ионный коллайдер в Китае, который будет расположен в Хуэйчжоу, находится на более ранней стадии планирования, чем проект в США, но если он будет реализован, то, по прогнозам, он начнет функционировать в конце 2030-х годов.
Во время учебы в колледже я провел лето, занимаясь исследованиями в Университете Стоуни Брук в Нью-Йорке, который находится по соседству с Брукхейвеном, и где многие ученые работали над экспериментами с RHIC. Мой тогдашний наставник, физик Томас Хеммик, член команды sPHENIX, — оптимист. Он заверил меня: “Послужной список Министерства ядерной физики США показывает, что их высшим приоритетом при строительстве новых объектов всегда было строительство, и это придает большую уверенность этой области”. Согласно отчету Консультативного комитета по ядерной науке США за 2023 год, электронно-ионный коллайдер является самым приоритетным проектом. В заявлении для Science News представитель Министерства энергетики США выразил восторг по поводу “возможностей для ведущих мировых научных исследований, которые откроет электронно-ионный коллайдер”. Для Хэммика переход на новый коллайдер означает “рождение надежды в конце эпохи”.
Недавно моя племянница-подросток начала расспрашивать меня о физике, вникая в те же глубокие вопросы, которые привлекали мое внимание в детстве. Я надеюсь, что в стране все еще есть место для коллайдера, который может послужить источником вдохновения для нее и для других представителей ее поколения.