美國最大粒子對撞機完成25年運行的最後一輪實驗

美國最大的粒子對撞機——相對論重離子對撞機 (RHIC) 在經歷了二十五年的運行後,完成了最後一次粒子碰撞,重現了早期宇宙的條件。RHIC 的最後一場碰撞於 2 月 6 日早上 9 時後進行,氧離子束在對撞機的 2.4 英里加速器環中高速運行,並在布魯克海文國家實驗室 (BNL) 的 STAR 和 sPHENIX 探測器內幾乎以光速相撞。這次碰撞標誌著一個為期 25 年的研究計劃的正式結束,該計劃大大提升了科學家對物質基本性質的理解。

自 2000 年首次啟用以來,RHIC 的對撞實驗已經報告了 10 種不同原子的碰撞,並涵蓋了廣泛的能量範圍。它是全球唯一一台能夠碰撞極化質子的機器,能夠探測質子的缺失自旋。根據研究人員的說法,RHIC 也曾是全球首個重離子對撞機,為夸克和膠子——質子和中子的基本組成部分的行為提供了前所未有的見解。

RHIC 的主要科學目標是重現夸克–膠子等離子體,這是一種在大爆炸後微秒內存在的物質狀態。當時,宇宙的溫度足夠高,使夸克和膠子可以自由移動,而不會被限制在原子核內。根據布魯克海文實驗室對撞機加速器部門負責人沃爾夫拉姆·費舍爾的說法,這是一段令人驚嘆的旅程。面對 1999 年秋季首次嘗試讓束流運行過程中的挑戰,無法想象這台設備的性能會發展到如此程度。

根據 BNL 的研究人員,RHIC 第 25 次也是最後一次運行中,產生了有史以來最龐大的數據集,這些數據來自於兩束金離子之間的最高能量的正面碰撞。這次運行還生成了大量的質子–質子碰撞數據,用於質子自旋的研究,以及低能量固定靶碰撞,以完成 RHIC 的束流能量掃描,並進行了最後一輪氧–氧的相互作用。此外,sPHENIX 探測器在一年內記錄了超過 200 拍字節的原始數據,這一數字超過了之前所有 RHIC 數據集的總和。

RHIC 在揭開質子自旋的長期之謎方面也發揮了重要作用。通過碰撞自旋極化的質子,科學家們發現膠子(曾被認為承載大部分自旋)貢獻的自旋約與夸克相當。在最後一次運行中,sPHENIX 成為第一個能夠持續流式傳輸極化質子碰撞數據的探測器,消除了傳統觸發器,為意想不到的發現開辟了新天地。科學家們指出,RHIC 的實驗推動了超導磁鐵、粒子探測器、數據存儲和高性能計算等方面的進步。

儘管 RHIC 的加速器已經關閉,但其許多組件將被重新利用於電子–離子對撞機 (EIC) 的建設。這個下一代設施將探究夸克和膠子如何產生質量、自旋以及當今觀察到的物質結構。根據 BNL 核與粒子物理學副實驗室主任阿布哈伊·德什潘德的說法,憑藉通過建設和運行 RHIC 所發展的專業知識,實現 EIC 的目標是可以期待的。


Henderson
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