English version of this page

Høyenergi kjernefysikk - HENP

HENP*-prosjektets hovedmål er å utforske kjernemateriens oppførsel under ekstreme betingelser, spesielt kvark-gluon-plasmaet som eksisterte i ca. et mikrosekund etter Big Bang, og som kan gjenskapes i ultrarelativistiske tungionekollisjoner i laboratoriet. HENP-prosjektet benytter akseleratoren Large Hadron Collider (LHC) ved CERN, kombinert med det dedikerte tungioneeksperimentet ALICE, for å produsere og studere kvark-gluon-plasmaet.

Figur 1: Fasediagrammet for sterkt vekselvirkende materie.

Om prosjektet

HENP-prosjektets mål er å studere kjernemateriens oppførsel under ekstreme temperaturer og tettheter, spesielt faseovergangen fra hadronisk materie til kvark-gluon-plasma, som inntreffer ved en temperatur på ca. 2000 milliarder grader. Et slikt plasma med frie kvarker og gluoner eksisterte et kort øyeblikk ved Universets fødsel (ca. 1 mikrosekund etter Big Bang). I dag kan dette urstoffet gjenskapes i laboratoriet gjennom ultrarelativistiske tungionekollisjoner. I tillegg til å gi et glimt av materiens oppførsel umiddelbart etter Big Bang, belyses fundamentale spørsmål innen kvantekromodynamikk (teorien for den sterke vekselvirkningen) som mekanismen bak innesperring av kvarker i hadroner, hvordan masse genereres i den sterke vekselvirkningen, og vakuumets underliggende natur.

Figur 2: Ved LHC gjenskapes urstoffet i laboratoriet gjennom ultrarelativistiske tungionekollisjoner.

HENP-prosjektet benytter verdens kraftigste partikkelakselerator, LHC ved CERN, og det dedikerte tungione-eksperimentet ALICE (A Large Ion Collider Experiment) til å produsere og studere kvark-gluon-plasmaet. Etter LHC Run-1 (2009-2013) har bly-bly-kollisjoner ved massesenter-energier på 2.76 TeV pr. nukleonpar avslørt et svært varmt og tett, sterkt vekselvirkende plasma som oppfører seg svært likt en ideell væske og viser et komplisert hydrodynamisk ekspansjonsmønster. Vi ser klare tegn på at kvarker og gluoner, som er bærere av fargeladning, taper energi på veien gjennom et medium bestående av frie fargeladninger.

LHC Run-2 (2015-2018) vil doble massesenterenergiene og gi en størrelsesorden bedre statistikk. ALICE-eksperimentets fysikkprogram for denne perioden sikter mot en presis kvantitativ karakterisering av kvark-gluon-plasmaets egenskaper, nå i stor grad ved hjelp av sjeldne tomografiske prober, blant annet hadroner som inneholder tunge kvarker. Kvarkonia, tunge bundne kvark-antikvark-systemer, viser en svært komplisert oppførsel i plasmaet og gir viktig kunnskap om transport og termalisering av tunge kvarker og om hvordan hadroner produseres fra plasmaet. Andre interessante målinger omfatter energifordelinger og vinkelkorrelasjoner av hadroner med høy transvers bevegelsesmengde, og hvordan disse modifiseres i et medium med frie fargeladninger. Detaljerte studier av den anisotrope eksplosive utvidelsen av det hete plasmaet gir informasjon om plasmaets makroskopiske egenskaper. I ultra-relativistiske tungionekollisjoner produseres fotoner gjennom alle stadier av kollisjonsprosessen, og spesielt emitterer det varme kvark-gluon-plasmaet et termisk fotonspektrum som gir et mål for temperaturen.

Figur 3: ALICE-detektoren ved LHC

ALICE har nettopp publisert en artig og fascinerende drone-filmet video av de eksperimentelle fasilitetene.

I tillegg til fysikkanalyse er ALICE-Oslo-gruppen engasjert i instrumenterings-prosjekter for flere ALICE-subdetektorer. Gruppen har en lang historie med bidrag til fotonspektrometeret PHOS, spesielt til utlesningselektronikken. I dag er hoved-aktiviteten konsentrert om spordetektoren for ladde partikler, Time Projection Chamber (TPC), der de norske ALICE-gruppene deltar i en totrinns oppgradering av
utlesningselektronikken, med tanke på håndtering og utnyttelse av den økte luminositeten LHC vil levere i kommende kjøreperioder, noe som vil øke sensitiviteten for sjeldne fysikksignaler.

En mer detaljert beskrivelse av fysikkprogrammet og spennende fenomener i kvark-gluon-plasmaet finnes på ALICE-Oslo-gruppens hjemmesider.

Finansiering

HENP-prosjektet er en del av Norges CERN-relaterte følgeforskningsprogram som finansieres av Norges forskningsråd. LHC startet fysikk-kjøringer under den seksårige finansieringperioden 2006 - 2011, som ble avsluttet i desember 2011. Den første fireårsperioden av det nåværende CERN-følgeforskningsprogrammet (2012 - 2019) startet i januar 2012. HENPs hovedaktiviteter er knyttet til ALICE-eksperimentet ved LHC og omfatter fysikkanalyse, instrumentering og GRID-computing. Prosjektmedlemmer har også vært engasjert i BRAHMS-eksperimentet ved RHIC, Brookhaven, i medisinsk fysikk og i romfysikk. Partnerne UiO, UiB, HiB og HBV bidrar med fast ansatte og PhD-studenter. Postdoc-medlemmer samt hardware, computing og operasjon av ALICE-eksperimentet er finansiert av Norges forskningsråd.