A k t e l N a t r v i e n s k a b 1 2 0 0 1 19 Det Lille Big Bang Ve kernekollisioner i speracceleratoren, RHIC, har forskere skabt stofområer me temperatrer over 1000 milliarer graer. Håbet me forsøgene er bl.a. at frigøre kvarker fra eres inespærring i et nværene kernestof. Foto: Brookhaven National Laboratory Af Jens Jørgen Gaarhøje Kæmpeacceleratoren RHIC ve Brookhaven National Laboratory, USA. n I sltningen af jni måne i år 2000 tørnee atomkerner af gl sammen for første gang ve en 3800 m lange RHIC accelerator ve Brookhaven National Laboratory på Long Islan, halvanen times kørsel fra New York. RHIC står for Relativistic Heavy Ion Collier, og er verens første accelerator, er kan bringe tnge atomkerner i to mosat rettee cirklære baner op på hastigheer omkring 99,99% af lysets og bringe em til at kolliere frontalt. Uner e volsomme sammenstø omannes atomkernernes bevægelsesenergi til stof og antistof i form at et stort antal materielle partikler, er strømmer væk fra kollisionssteet. Hver gang, e 197 netroner og protoner fra en enkelt atomkerne af gl støer sammen me e tilsvarene 197 partikler fra en anen glkerne, er er i sammenstøet ikke mere energi en i sammenstøet mellem to myg på en varm sommereftermiag (omkring en millionteel Jole). Imilerti er et volmen, enne energi afsættes i, blot på størrelse me en atomkerne og erve ca. RHIC-acceleratoren RHIC står for Relativistic Heavy Ion Collier, og er me sine 3800 m verens intil n største atomkerne-accelerator. I fire pnkter på maskinens omkres kan glstrålerne afbøjes, sålees at e kryser hinanen, og e enkelte glkerner i strålen har mlighe for at kolliere. I isse fire krysningspnkter er er opstillet store og komplekse etektorer til at registrere partikelmyleret. De fire eksperimenter heer STAR, PHENIX, PHOBOS og BRAHMS. De har hver eres kenetegn, og sigter 10 33 gange minre en myggenes. Den reslterene energitæthe er en højeste, er enn er frembragt ner joriske forhol, og forhåbningen er, at en er stor nok til at få kernepartiklerne i glkerner til at smelte for erve at skabe på at måle forskellige aspekter af reaktionsforløbet. I sommeren 2000 lykkees et at komme op på 70% af acceleratorens esignenergi og erme en total energi pr. kernekollision på over 25000 GeV (1 GeV er en energi en proton får ve acceleration i en spæningsforskel på 1 milliar Volt). Dette er nok til, at er for hver kollision kan annes omkring 6000 nye partikler og antipartikler. RHIC acceleratoren har været nervejs i næsten 10 år, og har sammen me e 4 etektorer kostet omkring en milliar ollars. et større stofområe beståene af kernestoffets bestanele, kvarker og gloner. Inespærree kvarker og gloner Det grnlæggene sigte me e store kollisionsforsøg er at stere en stærke vekselvirkning og et særlige fænomen er på engelsk betegnes qark confinement (kvark inespærring). Den stærke vekselvirkning er en af natrens fire kente kræfter, er er ansvarlig for at bine e fnamentale partikler, kvarker, sammen i kernepartiklerne (netronerne og protonerne), og som igen biner isse sammen til atomkerner. Den stærke vekselvirkning sørger altså for at hole sammen på stoffet i natren (et er i atomkerner, at 99,97% af niversets kente masse er samlet). Vi har i ag en samlet beskri-
20 A k t e l N a t r v i e n s k a b 1 2 0 0 1 BRAHMS-etektoren H2,T5 (GASC) D1,D2,D3,D4,D5: ipolmagneter T1,T2,T3,T4,T5, TPC1 TPC2: tracking -etektorer H1,H2,TOFW : Time-of-flight -etektorer RICH, GASC : Cherenkov-etektorer BRAHMS er en af e fire etektorer på RHIC, og en er opbygget af et konsortim af amerikanske, anske, norske, polske og franske fysikere. BRAHMS er en forkortelse for Broa Range Haronic Magnetic Spectrometer. Detektoren satser på at ientificere laee partikler fra kollisionerne over et stort kinematisk områe. Den består af to magnetiske spektrometre, er på fjernstyree platforme kan svinge omkring kollisionssteet og erve måle partikelsenelsen i forskellige retninger me stor præcision. RICH TOFW D4 T4 D3 T3 C1 T2,H1 D5 TPC2 D2 D1 TPC1 T1 BRAHMS En laet partikels afbøjning Den grnlæggene metoe, er anvenes, er, at en måling af en laet partikels afbøjning i et magnetisk felt giver en bestemmelse af partiklens impls. Implsen afhænger båe af partiklens hastighe og af ens masse. Det 25 m lange forlæns spektrometer i BRAHMS, hvoraf store ele er bygget på Niels Bohr Institttet, ineholer sålees 4 store ipolmagneter, er afbøjer partiklerne i en cirkelformet bane. På e lige strækninger mellem magneterne er er forskellige instrmenter, er tillaer at spore partiklerne. Sporing af partikler Denne opgave løses i BRAHMS ve hjælp af flere såkalte Time Projektion Chambers (TPC). En TPC består af en gasfylt beholer, er er påtrykt et elektrisk felt. Gassen ioniseres af e elektrisk laee partikler, er trænger igennem kammeret. De seknære elektroner, er sålees løsrives fra gassens atomer (en blaning af argon og klioxi ve normalt atmosfærisk tryk) vil bevæge sig me konstant fart gennem kammeret til en opsamlingselektroe, hvor signalet forstærkes. Opsamlingselektroen er i virkeligheen en proportional tæller, er er opelt i et horisontalt gitter beståene af ca. 1000 nerenheer. Ve at måle e seknære elektroners vanringsti ne til elektroerne, kan man bestemme højen til en intrængene partikels spor, hvorve sporets position kan bestemmes i 3 imensioner me en præcision på nogle hnree mikrometer. Mltiplicity Beam Beam conters Dx Beam magnets Grafik: Brahms-grppen ve RHIC, Brookhaven national Laboratory Måling af hastighe For at ientificere partiklen helt, må man kene ens masse. Implsmålingen må erfor sppleres me målinger, er tillaer at bestemme partiklerne hastighe, sålees at massen kan beregnes. I BRAHMS gøres ette på to måer. Partiklernes flyveti fra kollisionspnktet til en særlig segmenteret scintillationstæller, er procerer et lysglimt, når partiklen trænger igennem en, kan måles irekte. Dette kræver imilerti en præcision i tismålingerne på ner 10-10 sekn pga. en ringe forskel i flyveti mellem e forskellige partikler, er alle bevæger sig me hastigheer tæt ve lysets. For partiklerne me e højeste implser er selv enne præcision ikke tilstrækkelig, og tismålingerne må sppleres me målinger af et såkalte Cerenkov-lys, er senes, når en partikel bevæger sig gennem en gas me en hastighe, er er højere en lysets hastighe i et pågælene meim (Cerenkov lyset senes i en karakteristisk vinkel, er afhænger af partiklens hastighe og gassens bryningsineks). velse af, hvoran fysiske vekselvirkninger foregår. Vekselvirkninger eller kræfter formiles ve, at er veksles en særlig feltpartikel mellem parterne. For en stærke vekselvirknings vekommene, bines kvarker (af hvilke, er fines 6 varianter kalet,, s, c, b og t) sammen af gloner, er har fået navn efter et engelske or for lim. Glonen kan opfattes som en partikel, er til staighe senes og absorberes af e vekselvirkene kvarker. Farverige partikler Anre vekselvirkninger beskrives på lignene måe. Vekselvirkningens rækkevie bestemmes af feltpartiklens masse. F.eks. har en velkente elektromagnetiske vekselvirkning mellem to elektriske laninger enelig rækkevie, iet en tilhørene feltpartikel, fotonen, er masseløs. Derimo har en svage vekselvirkning meget kort rækkevie, iet feltpartiklen (en W eller en Z) er meget tng. Det særlige ve kvarker og gloner er, at e tilme er styret me en egenskab, er har fået tilnavnet farve. Der er tre farver (rø, grøn og blå), og et har vist sig mligt at observere frie partikler me farve. Sagt på en anen måe: er er meget, er tyer på, at natren kn tillaer at opbygge systemer, er optræer i farvenetrale kombinationer. Den velkente proton er opbygget af tre kvarker, to kvarker og en kvark, hver me sin farveværi, sålees at protonen som helhe er farvenetral. Den kensgerning, at glonen selv har farve, bevirker at en ikke kan slippe af kernepartiklerne og formile en stærke vekselvirkning mellem protonerne og netroner. I steet veksles en mere kompliceret og stabil partikel (en pi(p) meson, også kalet en pion), er består af en kvark og en anti-kvark, og sålees også er farvenetral. Sammenpressee kvarker er måske frie At et ikke er mligt at vriste en kvark fri af en proton, så en kan steres i fre og ro, hænger sammen me, at poten-
A k t e l N a t r v i e n s k a b 1 2 0 0 1 21 tialet mellem kvarker vokser lineært me afstanen imellem em. Dette er i skarp mosætning til potentialet mellem to elektriske laninger, er aftager me afstanen. Denne specielle egenskab har også en interessante konsekvens, at hvis man forsøger at slå en kvark løs fra en proton, opnår man kn at forøge en potentielle energi mellem kvarkerne intil et pnkt, hvor er er energi nok til at skabe et partikelpar beståene af en kvark og en antikvark. Den nyannee kvark infanges atter, hvorve er igen er tre kvarker bnet i en enhe, mens anti-kvarken biner sig til en oprinelige kvark og anner en meson, er er en farvenetrale partikel, er kan observeres. Men, hvis man ikke kan isolere en kvark, hvoran kan man så stere en? Jo, et gæler om at gå en anen vej og i steet presse kvarker sammen, så afstanen imellem em forminskes. Det viser sig nemlig, at vekselvirkningen mellem kvarker aftager me falene afstan. Man ville erfor forvente, at knne man skabe et volmen me mange tæt sammenpressee kvarker og gloner, ville isse knne bevæge sig frit rnt imellem hinanen i en efterligning af e forhol, er sansynligvis råee i et tilige, meget varme og tætte nivers. Man kaler fænomenet for asymptotisk frihe. an faseovergang knytter sig en kritisk temperatr. For kogene van er en 100 graer Celsis (373 Kelvin). For kernestof kan man fra teorien for en stærke vekselvirkning (er går ner navnet Qantm Chromo Dynamics, QCD) beregne, at temperatren ligger omkring 10 12 Kelvin. RHIC-acceleratoren kan skabe temperatrer i en nøvenige kosmiske størrelsesoren. Hvis e er høje nok, og QCD er rigtig, sklle et være mligt at fremprovokere og iagttage en mosatte faseovergang, nemlig en fra alminelig kernestof til en stoftilstan me frie kvarker og gloner (et såkalte Kvark Glon Plasma, QGP). Me e ekstreme energier, som RHIC kan frembringe, skal kollisionerne mellem to gl-atomkerner anskes på nye måer. Kernerne er ikke længere at beskrive som små væskeråber, er tørner sammen, og hvis egenskaber kan bestemmes af størrelser som overflaespæning, biningsenergi osv. Det er heller ikke længere nok at tænke på em som to sække me 197 protoner og netroner hver. Snarere skal man tænke på em som en samling af gloner og kvarker, Kvarker og og energi Nogle af partiklerne Tabellen viser et lille valg af en zoologiske have i kvark-verenen. De 6 qarker ornet i to rækker me samme laning opgivet i enheer af en elektrons laning (e = 1,602 10-19 C): c t Q= +2/3 e s b Q= -1/3 e Uvalg af lette baryoner, vs. partikler, er består af 3 qarker: Baryoner Kvark inhol Laning (e) Masse (GeV),, +1 0,938 Antiproton anti-,anti-,anti- -1 0,938 Netron,, 0 0,939 Lamba (L),,s 0 1,115 Omega (W) s,s,s -1 1,672 Uvalg af mesoner, vs. partikler, er består af en kvark og en antikvark. Masserne er opgivet i energienheer fra Einsteins energimasse relation E=mc 2, hvor c er lysets hastighe: Mesoner Kvark inhol Laning (e) Masse (GeV) Pi-pls (p+), anti- +1 0,139 Pi-mins (p-), anti- -1 0,139 K+, anti-s +1 0,493 K- anti-, s -1 0,493 Phi (j) s, anti-s 0 1,020 J-Psi (J/y) c, anti-c 0 3,096 Ultrarelativistiske kernekollisioner. I takt me at niverset viee sig, afkølees et også. Herve aftog tætheen af kvarker og gloner, intil en asymptotiske frihe blev brt, og kvarker og gloner blev inespærret i e nværene kernepartikler. Her har e befnet sig lige sien. Man kan tænke på processen som en form for konensation, i lighe me en, er foregår, når amp fortættes til vanråber ve falene temperatr. Konensationen markerer også overgangen mellem to forskellige faser. Til en så- Det er ikke mligt at vriste en kvark fri fra en proton, så en kan steres i fre og ro, fori potentialet mellem kvarker vokser me afstanen. Figren illstrerer, hva er sker, hvis man forsøger at slå en kvark løs fra en proton ve en kollision mellem to protoner. Når kvarken er slået løs vil en potentielle energi forøges intil et pnkt, hvor er er energi nok til at skabe et nyt partikelpar beståene af en kvark og en antikvark. Den nyannee kvark infanges, sålees at en oprinelige proton bliver til en netron, mens antikvarken biner sig til en løs-slåee kvark og anner en meson. Kvarker 1. To protoner støer sammen. 3. Der annes et kvark-anti-kvark par. anti-kvark Kvark - 2. En kvark "slås væk". Netron - Pi-meson 4. Resltatet er proktionen af en Pi-meson
22 A k t e l N a t r v i e n s k a b 1 2 0 0 1 Compter-simlering af en kollision mellem to glkerner i RHIC-acceleratoren ca. 10-23 sekn efter første kontakt. Figren viser resterne af e oprinelige glkerner (hvie kgler i sierne) og et væl af nyannee partikler i områet mellem em. er hver er samlet i minre poser. Det er isse minre ele, som ner eet kales for partoner efter e engelske or for ele (parts), er vekselvirker gennem en stærke vekselvirkning. U fra QCD-teorien kan man beregne, hvor mange kvarker og gloner er i gennemsnit er tilstee ine i en netron eller en proton, hvilket effektivt areal e har, hvor meget e skygger for hinanen osv. Tisforlængelse og prærielve Ve e første RHIC forsøg i løbet af sommeren kom totalenergien for hver netron eller proton i glkernerne op på 65 GeV (GigaelektronVolt). Det er ca. 70 gange mere en isse partiklers hvileenergi. Ifølge relativitetsteorien svarer ette til, at partiklerne har en gamma-faktor på 70. Dette har interessante konsekvenser for reaktionsforløbet. Ikke alene er er i hvert sammenstø mellem par af protoner og netroner en meget betragtelig energi tilstee, er kan brges til at procere i sinvis af nye partikler (især pioner, hvis masse målt i energienheer blot er omkring 0,14 GeV), men alle tisprocesser forlænges me en faktor, er svarer til Einsteins gamma-faktor. Ifølge kvantefysikken tager et et tisrm på omkring 1 fm/c (0,3 10-23 sekn) at skabe en ny partikel i ens eget hvilesystem. Set fra laboratoriesystemet i hvilket kollisionerne foregår, er ette tisrm altså forlænget me en faktor 70. Det betyer imilerti, at inen nye partikler kan materialisere sig, har e kollierene kernepartikler i mellemtien fjernet sig fra hinanen me lysets hastighe, og er askillige kerneiametre fra hinanen. Sitationen miner lit om tegneserien i hvilken prærielven spæner over ranen til afgrnen og hænger stille i lften, intil han ser ne Fotografi af BRAHMS etektoren i kl. 2 positionen. I baggrnen ses åbningen til RHIC-tnellen. Foto: Brookhaven National Laboratory Illstration: Brookhaven National Laboratory og finer af, hvor han befiner sig. Og først a faler han! I områet mellem e reagerene kerner annes er også mænger af kvarker og antikvarker fra en tiligere omtalte energi i feltet mellem e kvarker, er har vekselvirket ner sammenstøene. Man ville forvente, at er ve enne mekanisme annes lige mange kvarker og antikvarker af forskellige typer (især,, s, c). Hvis tætheen af em er stor nok, vil er knne annes et større volmen, hvori kvarker og gloner er frie som i et tilige Univers. Dette områe vil hrtigt ekspanere og afkøle, og kvarker og gloner vil atter bines i e observerbare farvenetrale sammensatte partikler. Askillige millioner partikler registreret Den store eksperimentelle opgave ve RHIC er at bekræfte eller afkræfte ovenståene scenario. Men et er lettere sagt en gjort. Fra hver enkelt kollision mellem to glkerner strømmer er mange tsine partikler. De fleste er pi-mesoner (f.eks. p + er på kvarknivea består af en kvark og af en anti- kvark og p - er består af en anti- og en ), er i kraft af eres lave masse er e nemmeste at skabe. Men er proceres også K-mesoner (f.eks. K+ og K-), er ineholer s-kvarker. Disse s (for strange) kvarker og eres antipartikler fines ikke i e oprinelige reagerene kernepartikler, og er alle proceret i reaktionen. Ligelees annes er også protoner og antiprotoner, netroner og antinetroner parvis foren en række enn tngere partikler, hvoraf nogle ineholer s og anre c kvarker. Hele ette myler af partikler skal ientificeres og katalogiseres, før proktionsmønstret og egenskaberne kan sammenholes me teorien (f.eks. en version, er blev beskrevet ovenfor). I løbet af en inleene forsøgsrne ve RHIC fik hver af e fire forsøg registeret askillige millioner partikler. Sien eksperimenterne slttee
A k t e l N a t r v i e n s k a b 1 2 0 0 1 23 STAR-etektorens billee af partikelspor fra en central gl-gl kollision ve RHIC. Illstration: Brookhaven National Laboratory Om forfatteren Jens Jørgen Gaarhøje er r. scient. og lektor ve Niels Bohr Institttet, Københavns Universitet samt næstforman for BRAHMS projektet ve RHIC acceleratoren i USA. Niels Bohr Institttet Blegamsvej 17 2100 Københagen Ø Tlf: 3532 5309 E-mail: garhoje@nbi.k. Hjemmesie: www.nbi.k/~garhoje i begynelsen af september 2000, er er foregået et intenst analysearbeje. Det er fra isse ata, at er alleree n er ve at tegne sig et første billee af reaktionen ve RHIC. Forelingen af e laee partikler, er senes fra glkerne kollisionerne, kan måles i RHIC s etektorer. For e mest centrale kollisioner, vs. em, hvor er er størst overlap mellem kollisionspartnerne og erme størst overført energi, finer vi omkring 4000 laee partikler. Hertil svarer yerligere ca. 2000 ientificeree elektrisk netrale partikler. Dette tal er ca. 3 gange højere, en hva er tiligere er blevet målt ve en hitil kraftigste accelerator (SPS) ve CERN. Samtiig, og et er mere interessant, ligger ette antal ca. 30-40% over et antal partikler, man ville forvente ve blot at gange en foreling, er kan måles i proton-proton stø me antallet af kernepartikelpar. Det samlee antal proceree partikler ligger vel ner et maksimale antal, man knne forvente, hvis e kollierene kerner ikke viste en transparens, som vi iskteree ovenfor. Faktisk stemmer et ganske got overens me billeet af partikelproktion fra farve -feltet. Mo stof-antistof balance En afgørene test af ette billee er imilerti forelingen mellem stof og antistof. I særeleshe forholet mellem protoner og antiprotoner. Såfremt er i reaktionen etableres en flstænig askillelse mellem e partikler, er proceres i e kollierene kernefragmenter, og e partikler er proceres i et mellemliggene stoffrie områe, ville man forvente præcis samme antal protoner og antiprotoner fra et centrale områe. BRAHMS- og STAR-forsøgene har bestemt antiproton til proton forholet til omkring 60% i elvis overensstemmelse me et skitseree billee. Til sammenligning er et tilsvarene forhol er er målt ve e tiligere CERN eksperimenter ca. 15%. 50% mere energi i Det lille Big Bang i 2001 Meget tyer erfor på, at vi me RHIC for første gang ner joriske forhol er på vej in i et nyt omæne karakteriseret ve proktion af et strakt stofområe me tilnærmelsesvis balance mellem stof og antistof. Det er enn for tiligt at tale sig om, hvorvit er i e volsomme kollisioner ve RHIC annes et forjættee Kvark-Glon Plasma, men betingelserne synes at være tilstee i højere gra en nogensine før sien Big Bang. Og n er er kn at vente på mere ybtgåene analyser, og på at RHIC i løbet af år 2001 kommer op på sin fle energi (200 GeV per partikelpar), hvilket vil pmpe yerlige 50% mere energi in i et Lille Big Bang. Spplerene læsning Berlingske Tiene, Univers, Lørag. 13. janar 2001. J.J. Gaarhøje i Natrens Veren, 5 (1998) 161. Scientific American, (marts 1999), 42. RHIC hjemmesie: www.rhic.bnl.gov BRAHMS hjemmesie: www.rhic.bnl.gov/brahms/ WWW/brahms.html. HEHI hjemmesie: www.nbi.k/~hehi