الفيزياء النووية عالية الطاقة

يدرس علم الفيزياء النووية عالية الطاقة سلوك المادة النووية في نطاقات الطاقة النموذجية لهذا المجال . وينصبّ التركيز الأساسي لهذا العلم على دراسة تصادمات الأيونات الثقيلة، مقارنةً بالذرات الأخف في مسرعات الجسيمات الأخرى . عند طاقات تصادم كافية، يُفترض أن تُنتج هذه الأنواع من التصادمات بلازما الكواركات والغلوونات . في التصادمات النووية الطرفية عند الطاقات العالية، يُتوقع الحصول على معلومات حول الإنتاج الكهرومغناطيسي للبتونات والميزونات التي لا يمكن الوصول إليها في مصادمات الإلكترون-بوزيترون نظرًا لانخفاض إضاءتها بشكل كبير. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

دُرست سابقًا تصادمات الأيونات الثقيلة باستخدام تجارب مسرعات نووية عالية الطاقة، حيث استُخدمت طاقات قذائف تتراوح بين 1  جيجا إلكترون فولت/نيوكليون في معهد الأبحاث النووية المشترك (JINR) ومختبر لورانس بيركلي الوطني (LBNL-Bevalac)، وتصل إلى 158  جيجا إلكترون فولت/نيوكليون في مسرع البروتونات الفائق (SPS) التابع لسيرن . تُعرف هذه التجارب باسم تجارب "الهدف الثابت"، وتُركز بشكل أساسي على تسريع "حزمة" من الأيونات (عادةً ما بين 10⁶ ^إلى 10⁸ ^أيون لكل حزمة) إلى سرعات تقارب سرعة الضوء (0.999 c )، ثم تُصطدم بهدف من أيونات ثقيلة مماثلة. وبينما تُعد جميع أنظمة التصادم مثيرة للاهتمام، فقد انصبّ التركيز بشكل كبير في أواخر التسعينيات على أنظمة التصادم المتناظرة لحزم الذهب على أهداف من الذهب في مسرع التدرج المتناوب (AGS) التابع لمختبر بروكهافن الوطني ، وحزم اليورانيوم على أهداف من اليورانيوم في مسرع البروتونات الفائق التابع لسيرن .

تُستكمل تجارب الفيزياء النووية عالية الطاقة في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) التابع لمختبر بروكهافن الوطني ، وفي مصادم الهادرونات الكبير التابع لسيرن . بدأ برنامج RHIC بأربع تجارب - PHENIX وSTAR وPHOBOS وBRAHMS - جميعها مُخصصة لدراسة تصادمات النوى عالية السرعة النسبية. على عكس التجارب ذات الهدف الثابت، تُوجّه تجارب المصادم حزمتين من الأيونات المُسرّعة نحو بعضهما البعض في ست مناطق تفاعل (في حالة RHIC). في RHIC، يُمكن تسريع الأيونات (بحسب حجم الأيون) من 100 جيجا إلكترون فولت/نيوكليون إلى 250 جيجا إلكترون فولت/نيوكليون. ولأن كل أيون مُتصادم يمتلك هذه الطاقة ويتحرك في اتجاهين مُعاكسين، يُمكن أن تصل الطاقة القصوى للتصادمات إلى 200 جيجا إلكترون فولت/نيوكليون للذهب و500 جيجا إلكترون فولت/نيوكليون للبروتونات.    

يُعدّ كاشف ALICE (تجربة مصادم الأيونات الكبير) في مصادم الهادرونات الكبير (LHC ) في مركز الأبحاث النووية CERN متخصصًا في دراسة تصادمات نوى الرصاص (Pb-Pb) عند طاقة مركز كتلة تبلغ 2.76  تيرا إلكترون فولت لكل زوج من النيوكليونات. وتشارك جميع كواشف مصادم الهادرونات الكبير الرئيسية - ALICE و ATLAS و CMS و LHCb - في برنامج الأيونات الثقيلة. ^{[ 4 ]}

يمتد تاريخ استكشاف المادة الهادرونية الساخنة وإنتاج الجسيمات المتعددة إلى زمن طويل، بدأ بأبحاث نظرية أجراها إنريكو فيرمي في الولايات المتحدة وليف لانداو في الاتحاد السوفيتي حول إنتاج الجسيمات المتعددة. مهدت هذه الجهود الطريق لتطوير الوصف الحراري لإنتاج الجسيمات المتعددة ونموذج التمهيد الإحصائي على يد رولف هاغيدورن في أوائل الستينيات . أدت هذه التطورات إلى البحث عن بلازما الكواركات والغلوونات واكتشافها . ^{[ 5 ]} ولا يزال بدء إنتاج هذا الشكل الجديد من المادة قيد البحث المكثف.

يعمل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سيرن لمدة شهر واحد سنويًا في وضع التصادم النووي، حيث تتصادم نوى الرصاص (Pb)  بطاقة 2.76 تيرا إلكترون فولت لكل زوج من النيوكليونات، أي ما يعادل 1500 ضعف طاقة كتلة السكون. يصطدم إجمالًا 1250 كوارك تكافؤ، مُولِّدًا حساءً ساخنًا من الكواركات والغلوونات. تُسمى نوى الذرات الثقيلة التي جُرِّدت من سحابة الإلكترونات الخاصة بها بالأيونات الثقيلة، ويُطلق عليها اسم الأيونات الثقيلة (فائقة) النسبية عندما تتجاوز طاقتها الحركية طاقة السكون بشكل ملحوظ ، كما هو الحال في مصادم الهادرونات الكبير. ينتج عن هذه التصادمات عدد هائل من الجسيمات ذات التفاعلات القوية .

في أغسطس/آب 2012، أعلن علماء تجربة ALICE أن تجاربهم أنتجت بلازما الكواركات والغلوونات بدرجة حرارة تقارب 5.5 تريليون كلفن ، وهي أعلى درجة حرارة تم تحقيقها في أي تجارب فيزيائية حتى الآن. ^{[ 6 ]} وتزيد هذه الدرجة بنحو 38% عن الرقم القياسي السابق البالغ حوالي 4  تريليونات كلفن، والذي تم تحقيقه في تجارب عام 2010 في مختبر بروكهافن الوطني . ^{[ 6 ]} وقد أُعلن عن نتائج ALICE في مؤتمر Quark Matter 2012 الذي عُقد في 13 أغسطس/آب في واشنطن العاصمة. وتُحاكي بلازما الكواركات والغلوونات الناتجة عن هذه التجارب الظروف التي سادت الكون بعد ميكروثوانٍ من الانفجار العظيم ، قبل أن تتجمع المادة لتكوين الذرات . ^{[ 7 ]}

هناك عدة أهداف علمية لهذا البرنامج البحثي الدولي:

• تكوين ودراسة حالة جديدة من المادة تتكون من الكواركات والغلوونات، وهي بلازما الكوارك-غلوون QGP، التي سادت في الكون المبكر في أول 30 ميكروثانية .
• دراسة حصر اللون وتحويل حالة الفراغ المحصورة للون = حصر الكوارك إلى الحالة المثارة التي يسميها الفيزيائيون الفراغ الاضطرابي، والتي يمكن للكواركات والغلوونات أن تتجول فيها بحرية، والتي تحدث عند درجة حرارة هاغيدورن ؛
• دراسة أصول كتلة المادة للهادرونات ( البروتون ، النيوترون، إلخ) التي يُعتقد أنها مرتبطة بظاهرة حصر الكواركات وبنية الفراغ.

يأتي هذا البرنامج التجريبي استكمالاً لعقد من الأبحاث في مصادم RHIC في مختبر بروكهافن الوطني ، وما يقارب عقدين من الدراسات باستخدام أهداف ثابتة في مصادم SPS في مركز CERN ومصادم AGS في مختبر بروكهافن الوطني. وقد أكد هذا البرنامج التجريبي بالفعل إمكانية الوصول إلى الظروف القاسية للمادة اللازمة لبلوغ طور بلازما الكواركات والغلوونات. ويُظهر نطاق درجة الحرارة النموذجي الذي تم تحقيقه في بلازما الكواركات والغلوونات

${\displaystyle T=300~{\text{MeV}}/k_{\text{B}}=3.3\times 10^{12}~{\text{K}}}$

أكثر منأكبر بمئة ألف مرة مما هي عليه في مركز الشمس . وهذا يتوافق مع كثافة طاقة

${\displaystyle \epsilon =10~{\text{GeV/fm}}^{3}=1.8\times 10^{16}~{\text{g/cm}}^{3}}$.

الضغط المقابل للمادة النسبية هو

${\displaystyle P\simeq {\frac {1}{3}}\epsilon =0.52\times 10^{31}~{\text{bar}}.}$

• الصفحة الرئيسية لقسم الفيزياء النووية بجامعة روتجرز
• المنشورات - فيزياء الطاقة النووية العالية (HENP)
• https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/