ניסוי ALICE

ALICE (מבוטא אליס; ראשי תיבות: A Large Ion Collider Experiment - ניסוי גדול בהתנגשות יונים) הוא גלאי יונים שבעזרתו נערך ניסוי בפיזיקת חלקיקים שמטרתו להבין את שהתרחש מיקרו-שניות ספורות לאחר המפץ הגדול. גלאי זה הוא אחד משבעת הגלאים הנמצאים לאורך המאיץ LHC (מנגיש הדרונים גדול) שהוא מאיץ החלקיקים הגדול בעולם וממוקם במרכז המחקר לפיזיקת חלקיקים CERN על גבול שווייץ-צרפת. הניסוי שנערך בALICE החל בשנת 2005 ונמשך עד היום. הוא כרוך בשיתוף פעולה בינלאומי של יותר מ-1500 פיזיקאים, מהנדסים, טכנאים וסטודנטים בוגרים מ-154 מוסדות פיזיקליים בעולם מ-37 מדינות.

תופעת התנגשות החלקיקים בגלאי

בניגוד לשאר הניסויים המתבצעים בCERN שבהם משתמשים באלומות פרוטונים המתנגשות זו בזו, בניסוי זה ישנו שימוש באלומות של יוני עופרת. זאת משום שהעופרת היא אחד מהיסודות הכבדים ביותר בטבע וכך כאשר מופרדים האלקטרונים מגרעיני העופרת, מתקבלים יונים בעלי מטען חיובי שמסתם גדולה מאוד. מסתם הגדולה מאפשרת אנרגיית התנגשות גבוהה ביותר - האנרגיה הכוללת של התנגשויות יוני העופרת יכולה להגיע ל-1150 טרה-אלקטרון-וולט, אשר מרוכזת בנפח מצומצם ביותר בתוך הגלאי. יונים אלו מואצים בLHC במהירויות נמוכות יותר ממהירויות אלומת הפרוטונים עקב מסתם הגדולה יחסית, אך בכל זאת מהירותם קרובה למהירות האור. התנגשות זו אשר מתרחשת בALICE בין יוני העופרת הכבדים יוצרת בטמפרטורה גבוהה מאוד פלסמת חלקיקים ("מרק קוורקים") העשויה מקווקרים וגלואונים. בדרך כלל הקוורקים שהם חלקיקי יסוד המרכיבים את הפרוטונים והנייטרונים (נוקליאונים) כלואים בתוכם עקב הכוח החזק אשר נישא על ידי גלואונים. אולם, בתנאים קיצוניים של טמפרטורה גבוהה מאוד (2 מיליארד מעלות צליוס - פי מאה אלף ויותר מהטמפרטורה במרכז השמש) ולחץ גבוה כפי שהתקיימו ביקום הקדום יכולה להיווצר פלזמת קווארקים-גלואונים. ניסוי ALICE נחשב על כן לניסוי המנסה להתחקות אחר מה שאירע מספר מיקרו-שניות לאחר המפץ הגדול, שכן בניסוי זה רוצים ליצור פלזמה זו.

מטרות הגלאי

מטרת הפיזיקאים המשתתפים בניסוי היא ליצור באופן חוזר ונשנה פלסמת קוורקים וגלואונים לפרקי זמן קצרים ביותר בנפח שגודלו כגרעין האטום. ציפייתם היא לקבל מידע על תהליך שעד כה מובן רק על פי מודלים מתמטיים – תהליך כליאת קוורקים, לגלות חלק מתכונותיו של המרחב כאשר הוא ריק לחלוטין (מאחר שהפלזמה שנוצרת פתאום נעלמת במהרה גם כן וכך נוצר מרחב ריק), להבין כיצד נוצרים חלקיקים מסיביים בהשפעתו של הכוח החזק, למצוא את הסיבה לכך שמשקלם של הפרוטונים והנייטרונים גדול פי 100 ממשקל כל הקוורקים הנמצאים בהם, וכן לגלות מהם גבולותיו של תהליך הכליאה והאם אפשר לשבור תהליך זה במצבים מסוימים.

מבנה הגלאי

הגלאי ALICE מורכב ממספר חלקים אשר בעזרתם ניתן לבחון את תוצאות הניסויים וכך להתקרב לתגליות אשר לשמן פותח הגלאי:

Zero Degree Calorimeter) ZDC's)

קלורימטרים הממוקמים ב-2 צדדיו של הגלאי המודדים ניטרונים ופרוטונים הנוצרים בהתנגשות. הקלורימטרים יוצרים עם מוקד ההתנגשות קו ישר בדיוק, לכן קוראים להם "קלורימטרים אפס מעלות", והם מודדים את האנרגיה של הנוקלאונים הנוצרים בהתנגשות. בעקבות זאת ניתן לגלות בדיוק את מיקום ההתנגשות. הForward Multiply Detector) FMD), הT0 והV0 מודדים את מספר החלקיקים המופיעים, ובנוסף לכך T0 מודד את הזמן המדויק של האירוע.

ITS Pixels, ITS Drift, ITS Strips, (Time Projecting Champer) TPC

חלקים האחראיים על מדידת מיקומים רבים של החלקיקים אשר נושאים מטען חשמלי בתנועתם, כך שמסלולם נקבע באופן מדויק. בגלאי משתמשים בזרמים חשמליים ליצירת שדה מגנטי אשר מטרתו לעקם את מסלול תנועת החלקיקים הנוצרים בהתנגשות, וזאת על מנת למדוד את התנע של חלקיקים אלו וכן את סימן המטען החשמלי שלהם. הדיוק הגדול של הITS, דיוק של עשירית המילימטר, מאפשר לראות אף את השינוי במסלולם של חלקיקים הנוצרים מדעיכה של חלקיקים אחרים (ניתן להסיק כי אלו אינם נוצרו ישירות מן ההתנגשות עקב זמן חייהם הקצר). 
יעד נוסף של ALICE הוא לגלות את זהותו של החלקיק - האם הוא אלקטרון, פרוטון, קאון או פאיון. לשם כך יש צורך באינפורמציה נוספת מזו שמתקבלת מהITS ומהTPC, אינפורמציה אשר מתקבלת מחלקים נוספים בגלאי:

Time of Flight) TOF)

חלק זה מטרתו למדוד את הזמן שלוקח לחלקיק בתנועתו מכניסתו לחלק זה של הגלאי ועד לקצה מסלולו. בעזרת מדידה זו ניתן לחשב את מהירות החלקיק בדיוק הקטן מעשר מיליוניות השנייה.

High Momentum Particle Identification Detector) HMPID)

חלק המודד את הפוטונים הנוצרים בעקבות מעבר של חלקיקים טעונים הנעים במהירות גבוהה דרך חומר פרפלורוהקסנה C6F14 Perfluorohexane.

Transition Radiation Detector) TRD)

חלק המודד את גודל הקרינה הנפלטת, וכך גם את מסלול החלקיק. קרינת המעבר נפלטת על ידי חלקיקים טעונים ומהירים ביותר בעת חצייתם דרך חומרים שונים וכך ניתן לזהות את האלקטרונים ואת הפוזיטרונים שביניהם.

ספקטרומטר המיואונים

סט ייעודי של גלאים אשר דרכו עוברים מיואונים בלבד. מאחר שמיואונים חודרים דרך חומרים בקלות רבה יותר מאשר רוב החלקיקים האחרים, באזור הקדמי של הגלאי ממוקם בלם עבה ומורכב מאוד אשר עוצר את תנועת כל החלקיקים מלבד את תנועת המיואונים, וכך אל הספקטומטר מגיעים רק מיואונים וניתן למדוד אותם.
בנוסף לכל אלו, ישנם חלקים נוספים המודדים את הפוטונים בגלאי, שבעזרתם ניתן ללמוד על טמפרטורת המערכת. כדי למדוד אותם יש צורך במספר חלקים:

הקריסטלים של הPHOS

קריסטלים בעלי צפיפות הזהה לזו של עופרת ושקיפות הזהה לזו של זכוכית, מודדים את הפוטונים באזור מצומצם ובדיוק רב. 
Photon Multiplicity Detector) PMD, (Electro Magnetic Calorimeter) EMCal)
חלקים המודדים את מספר הפוטונים באזור רחב יותר.