Relativistic Heavy Ion Collider

Relativistic Heavy Ion Collider består af to koncentriske heksagoner, der har omkreds på 3834 m og består af i alt 1740 superledende magneter, hver med et magnetfelt på 3,45 Tesla, der holder partiklerne i deres baner. I en accelerator på omkredsen kan ionerne gennem et højfrekvent hulrum (der tilfører 300kVolt og drives af en frekvens på 28,1 MHz) tilføres energi således at de efter adskillige passager kan opnå en maksimal energi på 250GeV for protoner og på 100*197 GeV=19.700GeV=19,7PeV for tunge ioner af guld (¹⁹⁷Au, Q= 79+). Der er mulighed for at afbøje de modsat rettede stråler, der består af bundter af partikler, således at disse passerer igennem hinanden, hvorved partiklerne kan kollidere med en sandsynlighed der afhænger af tætheden i hver bundt. Der er 6 kollisionspunkter anbragt på de lige strækninger der kan huse eksperimenter til at studere effekten af kollisionerne. Fordi RHIC består af 2 separate ringe af magneter kan forskellige ioner accelereres og lagres i hvert sit rør (kaldet ’Yellow’ og ’Blue’) hvilket muliggør kollisioner mellem atomkerner med forskellige massetal og energier.

RHIC acceleratoren forsynes af en kæde af mindre maskiner der gradvis forøger partiklernes energi. Tunge ioner, for eksempel af guld, bliver produceret i en elektron beam ionkilde, EBIS, og opnår typisk en energi på 2MeV pr. nukleon ved ladningstilstand Q=32+. Dernæst accelereres de i Boosteren der forøger energien til 100 MeV pr. nukleon ved ladningstilstand Q=77. De injiceres derefter i AGS, Alternating Gradient Synchrotron, hvor de opnår en energi på 8,86 GeV pr nukleon, før de endelig injiceres i RHIC og accelereres op til slutenergien.

Et vigtigt mål på en colliders ydeevne er luminositeten, der udtrykker forholdet mellem antallet af kollisioner per sekund og sandsynligheden for kollision (tværsnittet). RHIC var designet til L= 2. 10²⁶ cm^-2.sek^-1, men har opnået en 44 gange højere luminositet, L= 87. 10²⁶ cm^-2.sek^-1 end oprindelig planlagt.

RHIC blev bygget for at studere stoffets egenskaber ved ekstreme temperaturer og tætheder, i særdeleshed for at frembringe og studere Quark-Gluon-Plasma (QGP). QGP er en tilstand af stoffet der er karakteriseret ved næsten ikke-vekselvirkende kvarker og gluoner der ifølge teorien for den stærke vekselvirkning kan realiseres ved temperaturer på over ca. 2.000. milliarder grader. Dette er den temperatur som Universet formodes at have haft omtrent et mikrosekund (10^-6 sekund) efter Big Bang.

For at studere kollisionerne blev der ved RHIC indledningsvis etableret 4 eksperimenter: BRAHMS, PHOBOS, PHENIX og STAR. Det eksperimentelle program startede i år 2000. --BRAHMS tog data indtil 2006. Det var et eksperiment der satsede på stor kinematiske dækning af målingen af identificerede partikler. Eksperimentet havde en markant dansk deltagelse og var ledet af Dr. Flemming Videbaek fra BNL, og af prof. Jens Jørgen Gaardhøje fra Niels Bohr Instituttet.

• BRAHMS bestod af to drejbare magnetiske spektrometre med lille acceptans (vinkeldækning) der kunne identificere partikler og dække det kinematiske område fra 90 grader ned til 2,3 grader relativt til beam retningen. BRAHMS har bl.a. leveret præcise målinger af partikelforhold og af undertrykkelse af jets.
• STAR har fokus på komplette målinger af hadroniske begivenheder omkring midt-rapiditet og har som det centrale instrument en stor cylinderformet TPC (Time Projektion Chamber).
• PHENIX har fokuseret på målinger af sjældne begivenheder og elektromagnetiske og svage henfald med en kompleks detektor der omfatter en superledende magnet. PHENIX har været under ombygning siden 2016 og starter op som et nyt eksperiment, sPHENIX, i 2023.
• PHOBOS var et mindre eksperiment der fokuserede på korrelationer mellem ladede partikler med lave impulser og målinger af det totale antal producerede partikler. Eksperimentet tog data frem til år 2005.

RHIC og de fire instrumenter markerede en overgang til præcisions tung-ion fysik og studier af stof der vekselvirker gennem den stærke kraft, i forhold til forløberne ved bl.a. Berkeley, AGS ved BNL og SPS ved CERN. Dette skyldes den dedikerede accelerator der kunne frembringe energier i kollisioner, som var ca. 12 gange højere end hvad der kunne opnås ved CERN-SPS acceleratoren (der benyttede sig af skud på fast target) og dedikerede eksperimenter med stor segmentering, hurtig udlæsning af data og dækning af geometrien omkring kollisionspunktet.

Acceleratorens konstruktion med to separate ringe, har muligjort kollisoner ved forskellige energier mellem forskelligartede atomkerner, bl.a. p+p, p+Al, p+Au, d+Au, Cu+Cu, Cu+Au, Zr+Zr, Ru+Ru, Au+Au og U+U.

Det videnskabelige udbyttet har været stort og varieret. Det væsentligste resultat var opdagelsen af sQGP, det såkaldte ’strongly interacting QGP’, en Quark Gluon Plasma tilstand, hvori quarker og gluoner ikke er asymptotisk frie men stadig vekselvirker (som i en væske). De væsentlige målinger der førte til denne erkendelse er baseret på: 1) observationen af at jets (særlige byger af partikler der skyldes spredte quarks) er undertrykt ved høje impulser og 2) at målinger af udsendelsen af partikler fra ikke-centrale stød mellem atomkerner kan beskrives ved en hydrodynamisk strømning (som en flydende væske) af de fundamentale partikler, kvarkerne .

De fire eksperimenter ved RHIC offentliggjorde i 2004 en hvidbog (en samling af fire artikler i samme bind i Nuclear Physics fagtidsskriftet), der opsummerede de første afgørende resultater og konklusioner. De fire artikler er blandt de mest citerede inden for kernefysik.