고에너지 핵물리학

고에너지 핵물리학()은 고에너지 물리학의 전형적인 에너지 영역에서 핵물질의 행동을 연구한다. 이 분야의 주요 초점은 다른 입자 가속기의 가벼운 원자와 비교하여 중이온 충돌을 연구하는 것이다. 충분한 충돌 에너지에서 이러한 유형의 충돌은 쿼크-글루온 플라스마를 생성하는 것으로 이론화된다. 고에너지의 주변 핵 충돌에서는 전자-양전자 충돌기보다 훨씬 낮은 광도 때문에 접근할 수 없는 렙톤과 중간자의 전자기적 생성을 알아볼 수 있을 것으로 예상된다.

이전 고에너지 핵 가속기 실험에서는 JINR 및 LBNL-베발락에서 핵자당 1 GeV의 발사체 에너지, CERN-SPS에서 핵자당 최대 158 GeV의 발사체 에너지를 사용하여 중이온 충돌을 연구했다. "고정 표적" 실험이라고 불리는 이러한 유형의 실험은 주로 이온 "뭉치"(일반적으로 뭉치당 106~108개의 이온)를 빛의 속력에 가까운 속도(0.999c)로 가속하고 비슷한 중이온 표적에 충돌시킨다. 모든 충돌 시스템이 흥미롭지만, 1990년대 후반에는 브룩헤이븐 국립연구소의 교번 기울기 싱크로트론 (AGS)에서 금 빔과 금 표적의 대칭 충돌 시스템, 그리고 CERN의 초양성자 싱크로트론에서 우라늄 빔과 우라늄 표적의 대칭 충돌 시스템에 큰 초점이 맞춰졌다.

고에너지 핵물리학 실험은 브룩헤이븐 국립연구소의 상대론적 중이온 충돌기 (RHIC)와 CERN 대형 강입자 충돌기에서 계속되고 있다. RHIC에서는 PHENIX, STAR, PHOBOS, BRAHMS 등 네 가지 실험으로 프로그램이 시작되었으며, 모두 고도로 상대론적인 핵의 충돌을 연구하는 데 전념했다. 고정 표적 실험과 달리 충돌기 실험은 (RHIC의 경우) 6개의 상호작용 영역에서 두 개의 가속된 이온 빔을 서로에게 향하게 한다. RHIC에서는 이온 크기에 따라 핵자당 100 GeV에서 250 GeV까지 가속될 수 있다. 각 충돌 이온이 반대 방향으로 움직이면서 이 에너지를 가지므로, 충돌의 최대 에너지는 금의 경우 핵자당 200 GeV, 양성자의 경우 핵자당 500 GeV의 질량 중심 충돌 에너지를 달성할 수 있다.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) 검출기는 핵자당 2.76 TeV의 질량 중심 에너지에서 Pb-Pb 핵 충돌을 연구하는 데 특화되어 있다. 모든 주요 LHC 검출기—ALICE, ATLAS, CMS 및 LHCb—는 중이온 프로그램에 참여한다.

 역사 
뜨거운 강입자 물질과 다입자 생성에 대한 탐구는 미국에서 엔리코 페르미, 소련에서 레프 란다우에 의해 다입자 생성에 대한 이론적 연구로 시작된 오랜 역사를 가지고 있다. 이러한 노력은 1960년대 초 다입자 생성의 열역학적 설명과 통계적 부트스트랩 모델의 발전을 위한 길을 닦았다. 이러한 발전은 쿼크-글루온 플라스마의 탐색과 발견으로 이어졌다. 이 새로운 형태의 물질 생성의 개시는 여전히 활발히 연구되고 있다.

 첫 번째 충돌 
초기 상대론적 조건에서의 첫 번째 중이온 충돌은 미국 캘리포니아 버클리의 로런스 버클리 국립연구소 (LBNL, 이전 LBL)와 소련 모스크바 주 두브나의 합동원자핵연구소 (JINR)에서 이루어졌다. LBL에서는 중이온 가속기 HILAC에서 베바트론으로 중이온을 운반하기 위한 수송선이 건설되었다. 처음에는 핵자당 1-2 GeV 수준의 에너지 스케일에서 압축된 핵물질을 정상 핵밀도의 몇 배에 달하는 밀도로 생성했다. 압축되고 여기된 핵물질의 특성을 연구할 가능성을 입증한 것은 BNL과 CERN에서 사용 가능한 가속기를 통해 훨씬 더 높은 에너지로 상대론적 빔을 실험실 고정 표적에 충돌시키는 연구 프로그램을 촉진했다. 첫 번째 충돌기 실험은 1999년 RHIC에서 시작되었고, LHC는 2010년에 한 단계 더 높은 에너지로 중이온을 충돌시키기 시작했다.

 CERN 운영 
CERN의 LHC는 매년 한 달 동안 핵 충돌 모드로 작동하며, Pb 핵이 핵자당 2.76 TeV의 에너지로 충돌하는데, 이는 정지 질량의 에너지 등가보다 약 1500배에 달한다. 전체적으로 1250개의 원자가 쿼크가 충돌하여 뜨거운 쿼크-글루온 수프를 생성한다. 전자를 벗겨낸 무거운 원자핵을 중이온이라고 부르며, LHC의 경우처럼 운동 에너지가 정지 에너지를 크게 초과할 때 (초)상대론적 중이온이라고 한다. 이러한 충돌의 결과는 매우 많은 강한 상호작용 입자의 생성이다.

2012년 8월, ALICE 과학자들은 그들의 실험이 약 5.5조 켈빈의 온도로 쿼크-글루온 플라스마를 생성했다고 발표했으며, 이는 현재까지 어떤 물리 실험에서도 달성된 가장 높은 온도이다. 이 온도는 2010년 브룩헤이븐 국립연구소에서 달성된 약 4조 켈빈의 이전 기록보다 약 38% 더 높다. ALICE 결과는 8월 13일 워싱턴 D.C.에서 열린 쿼크 물질 2012 컨퍼런스에서 발표되었다. 이 실험에서 생성된 쿼크-글루온 플라스마는 물질이 원자로 뭉치기 전, 대폭발 이후 몇 마이크로초 동안 존재했던 우주의 조건을 모방한다.

 목표 
이 국제 연구 프로그램의 과학적 목표는 다음과 같다:
 초기 우주에서 첫 30마이크로초 동안 존재했던 쿼크와 글루온으로 이루어진 새로운 물질 상태인 쿼크-글루온 플라스마 QGP의 형성 및 조사.
 색가둠 현상과 쿼크 가둠 상태인 진공 상태가 물리학자들이 섭동 진공이라고 부르는 여기 상태로 변환되는 과정, 즉 하게도른 온도에서 쿼크와 글루온이 자유롭게 움직일 수 있는 상태로 변환되는 과정의 연구.
 강입자 (양성자, 중성자 등) 물질 질량의 기원 연구, 이는 쿼크 가둠 현상 및 진공 구조와 관련이 있다고 여겨진다.

 실험 프로그램 
이 실험 프로그램은 BNL의 RHIC에서 10년간의 연구와 CERN의 SPS 및 BNL의 AGS에서 고정 표적을 사용한 거의 20년간의 연구에 이은 것이다. 이 실험 프로그램은 이미 QGP 상에 도달하는 데 필요한 극한의 물질 조건이 달성될 수 있음을 확인했다. 생성된 QGP에서 달성된 일반적인 온도 범위는

태양 중심보다 배 이상 높다. 이는 에너지 밀도에 해당한다.
.
해당하는 상대론적 물질 압력은 다음과 같다.


 더 많은 정보 
 Rutgers University Nuclear Physics Home Page
 Publications - High Energy Nuclear Physics (HENP)
 https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/

 각주 

분류:핵물리학
분류:양자색역학