LHC este cunoscut în primul rând pentru coliziunile proton-proton, care au condus în cele din urmă la descoperirea bosonului și a câmpului Higgs, important pentru faptul că dau masă electronilor, quarcurilor și altor particule elementare. Dar este posibilă și ciocnirea ionilor grei, atomi sau molecule mai mari care capătă sarcină electrică prin câștigarea sau pierderea de electroni. Coliziunile de ioni grei pot produce o plasmă quark-gluon (QGP), care ne permite să înțelegem mai multe fenomene noi.
După cum rezumă cercetătorii de la CERN , la câteva milisecunde după Big Bang, universul era umplut cu o supă incredibil de fierbinte și densă de particule aleatoare, care se deplasau cu o viteză apropiată de cea a luminii. Acest amestec era dominat de quarcuri - particulele fundamentale ale materiei - și de gluoni, purtătorii interacțiunilor puternice, care în mod normal, lipesc quarcurile între ele, formând protonii, neutronii și alte particule familiare. Cu toate acestea, în primele momente fierbinți, quarcurile și gluonii erau doar slab legați între ei și se puteau mișca liber în așa-numita plasmă quarc-gluon.
Pentru a recrea condiții similare celor de la începutul universului, folosim acceleratoare puternice pentru a ciocni ioni uriași, cum ar fi atomi de aur sau plumb. În aceste coliziuni de ioni grei, sute de protoni și neutroni se ciocnesc între ei, fiecare cu o energie de câteva trilioane de electronvolți. Se creează astfel o mică minge de foc în care materia se "topește" și devine o plasmă quark-gluon.
LHC a ciocnit până acum doar ioni de plumb mai grei, compuși de obicei din 82 protoni și 126 neutroni. Dar au început un nou experiment recent, implicând coliziuni cu ioni cu masă mult mai mică. Aceste experimente includeau ciocniri între ioni de oxigen, neon și a protonilor cu atomi de oxigen.
"Aceste combinații de coliziune ne permit să studiem modul în care proprietățile QGP evoluează în funcție de scalare", a explicat Riccardo Longo, fizician în cadrul grupului ATLAS pentru ioni grei, într-o declarație. "Deși avem o bună înțelegere a interacțiunii puternice în condiții "reci", datorită studiului coliziunilor proton-proton, avem o bună înțelegere a interacțiunii puternice în medii extrem de fierbinți și dense, cum ar fi cele de plumb-plumb. Rămâne însă întrebarea: ce se întâmplă între ei? Sperăm că aceste sisteme mai ușoare ne vor permite să reducem lipsa de informații."
Deși fizicienii au o idee la ce să se aștepte, astfel de experimente pot rezerva multe surprize. "Există doar teorii cu privire la modul în care aceste sisteme răspund la astfel de energii", a declarat Ivan Amos Cali, membru al echipei CMS de ioni grei, care va studia în principal coliziunile. "Aceasta este prima dată când putem vedea ce se întâmplă - nimeni nu a mai făcut acest tip de măsurătoare".
Studiind coliziunile ionilor grei și xenon-xenon, cercetătorii ATLAS au observat anterior un fenomen ciudat în care particulele de energie înaltă pierd energie pe măsură ce trec prin plasma quark-gluon. Totuși, acest fenomen nu a fost observat în coliziunile proton-plumb, care au format un sistem mai mic de plasmă quark-gluon.
"Teoria este că ar trebui să vedem începuturile fenomenului în coliziunile oxigen-oxigen", spune Longo.
În cadrul acestor studii va fi de interes "fluxul colectiv" a particulelor care ies din plasma quark-gluon. Studiul coliziunilor cu oxigen poate ajuta la înțelegerea acestui comportament colectiv, furnizând în același timp informații privind structura geometrică a atomilor de oxigen. Coliziunile cu neon pot furniza informații ți despre structura neonului, despre care se crede că are aproximativ forma unei păpuși de bowling. Forma în sine poate avea, de asemenea, implicații pentru formarea plasmei quark-gluon.
"Chiar mai bine, coliziunile oxigenului și neonului se urmează reciproc", a adăugat Qipeng Hu, șeful grupului ATLAS de fizică a ionilor grei. "Acest lucru oferă date incredibil de valoroase pentru comparație, deoarece condițiile experimentale sunt exact aceleași".
Deși coliziunile sunt de rutină la LHC, ciocnirea elementelor ușoare creează provocări noi, cum ar fi problema contaminării. "Este o problemă pe care nu o întâlnim cu fasciculele de protoni, dar o întâlnim cu oxigenul", explică Roderik Bruce, expert în ioni la LHC. "Fiecare coliziune cu ioni de oxigen creează particule secundare cu același raport sarcină/masă, care contaminează fasciculul și pot îngreuna analiza. Prin urmare, la un moment dat poate fi necesară golirea fasciculului și introducerea unui nou fascicul de oxigen pur, însă amploarea transmutării nu este încă cunoscută. Analiza datelor va dezvălui acest lucru."
Noile teste se vor desfășura în perioada 1-9 Iulie.
