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&nbsp;GeV의 발사체 에너지, CERN-SPS에서 핵자당 최대 158&nbsp;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&nbsp;GeV에서 250&nbsp;GeV까지 가속될 수 있다. 각 충돌 이온이 반대 방향으로 움직이면서 이 에너지를 가지므로, 충돌의 최대 에너지는 금의 경우 핵자당 200&nbsp;GeV, 양성자의 경우 핵자당 500&nbsp;GeV의 질량 중심 충돌 에너지를 달성할 수 있다.

 (A Large Ion Collider Experiment) 검출기는 핵자당 2.76&nbsp;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&nbsp;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&nbsp;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
:
T = 300~\text{MeV}/k_\text{B} = 3.3 \times 10^{12}~\text{K}

태양 중심보다 배 이상 높다. 이는 에너지 밀도에 해당한다.
:
\epsilon = 10~\text{GeV/fm}^3 = 1.8 \times 10^{16}~\text{g/cm}^3
.
해당하는 상대론적 물질 압력은 다음과 같다.
: P \simeq \frac{1}{3} \epsilon = 0.52 \times 10^{31}~\text{bar}.


## 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