¿Qué es el experimento ALICE?
El experimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ha construido un detector dedicado al estudio de iones pesados relativistas, para explorar el potencial físico de las interacciones nucleón-nucleón a energías del LHC (Large Hadron Collider).
El objetivo principal es estudiar la materia fuertemente interactuante a densidad y energía extremas, donde la formación de una fase nueva de materia, el plasma de quarks y gluones, es experado. La existencia de tal fase de materia y sus propiedades son clave de la Cromodinámica Cuántica para entender el confinamiento y la restauración de la simetría quiral. Para este propósito, se realiza un exhaustivo estudio de hadrones, electrones, muones y fotones producidos en la colisión de núcleos pesados. ALICE también estudia colisiones protón-protón y su comparación con la física de colisiones plomo-plomo, así como también la física donde ALICE es competitivo con otros experimentos del LHC.
http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html
Las dimensiones totales del experimento ALICE abarcan 16X16X26 m³ con un peso total aproximadamente de 10 000 toneladas. ALICE está conformado por 18 sistemas de detección, cada uno con su propia tecnología y diseño específico, impulsados tanto por los requerimientos físicos como por las condiciones del experimento esperadas en el LHC. Los diferentes subsistemas fueron optimizados para proveer la mejor resolución para reconstruir el alto momento transverso, así como también excelente identificación de partículas en un amplio rango de momento. El experimento consiste de una parte central, dedicado al rastreo e identificación de hadrones, electrones y fotones evento por evento, en un amplio rango de momento transverso con una buena resolución para bajo pT. La parte central, que cubre un ángulo polar de 45° a 135° y la totalidad del ángulo azimutal, está incrustada en un solenoide magnético (L3) largo. El sistema de detección consiste principalmente de un sistema interno de rastreo de trazas conformado por detectores de silicio (ITS), una cámara de proyección temporal (TPC), un detector de tiempo de vuelo (TOF), un detector de transición de radiación (TRD), un anillo de imagen Cherenkov de un solo brazo (HMPID) y un calorímetro electromagnético (PHOS), donde los cinco primeros son capaces de identificar los tipos de partículas que emergen de la colisión. El espectrómetro de muones consiste de un conjunto de absorbedores, un dipolo magnético largo, así como 14 planos de rastreo y cámaras de discriminación de trazas. ALICE también cuenta con varios detectores pequeños (ZDC, PMD, FMD, T0, VZERO) para la caracterización y discriminación de eventos globales, localizados en la parte opuesta al brazo de muones. Un arreglo de centelladores (ACORDE), ubicado en lo alto del magneto L3, es usado para discriminar rayos cósmicos [7].
Tópicos de física investigando y/o en planes
Dentro del experimento ALICE, hay varias investigaciones posibles que miembros de esta red pueden realizar, a continuación se mencionan algunas de ellas:
1. El estudio de sondas electromagnéticas tanto como termómetro del sistema (fotones directos) como para explorar la manera en la que el sistema se aproxima a la restauración de la simetría quiral (dileptones de baja masa).
2. El entendimiento de los procesos que transforman el estado cuántico inicial en una colisión de iones pesados, en un líquido hidrodinámico, es substancialmente incompleto. Los modelos con acoplamiento fuerte producen líquidos hidrodinámicos automáticamente, asumiendo un estado inicial ya fuertemente acoplado. Es necesario desarrollar pruebas experimentales que puedan ser usadas para determinar si el acoplamiento de gluones en el estado inicial es suave o fuerte. En este sentido el papel de las interacciones partónicas múltiples (MPI) en colisiones pp (protón-protón) y pA (hadrón-núcleo) son de suma importancia.
3. La hidrodinámica describe exitosamente la evolución de la materia producida en colisiones de iones pesados. Sin embargo, las incertidumbres en las condiciones iniciales y sus variaciones de evento a evento representan el mayor obstáculo para la extracción de las propiedades de la materia de quarks y gluones con una precisión que corresponda a las precisiones de los datos experimentales. Los espectros de partículas identificadas, con estadísticas muy superiores a las actuales, abrirán una nueva ventana para medidas diferenciales más finas, obteniendo mejor resolución en la estructura de eventos, por mencionar un ejemplo.
4. Identificación y reconstrucción de jets para entender la manera en la que se transmite energía de partones duros al medio QCD (jetquenching). La pérdida de energía de los jets y la producción de quarks pesados permiten investigar las propiedades del QGP en escalas de longitud largas. Para fomentar una comprensión más detallada es necesaria una definición precisa de las metas más allá de una pura medida de la pérdida específica de partones (), por ejemplo, la dependencia de la pérdida de energía con la masa de los quarks predicha por los cálculos QCD a primer orden, la cual no se ha confirmado con los resultados experimentales actuales por falta de precisión. Es necesario desarrollar observables que permitan discernir de forma clara las predicciones de los modelos con un acoplamiento partón-medio débil o un acoplamiento fuerte.
Datos de flujo elíptico de sabores pesados también son de interés porque los resultados apuntan a que aún los sabores pesados sienten el flujo del medio. Estos son mediciones muy importantes, pues esta observación sugiere que los quarks pesados también participan en la termalización.
5. La producción de hadrones (mesones y bariones con quarks u, d y s) en función de la energía en el centro de masa de las colisiones con una temperatura cercana a la predicha por cálculos de QCD en la red para la transición de fase entre materia partónica a hadrónica, está exitosamente descrita por modelos estadísticos/térmicos. No obstante, con los resultados recientes del LHC, los ajustes del modelo termal y la producción de protones y antiprotones presentan discrepancias, las cuales podrían ser una señal de distorsiones en el equilibrio químico como resultado de re-difusiones en el estado hadrónico que apuntan a una aniquilación barión-antibarón o como una indicación de niveles de bariónes desconocidos.
6. A todas las energías exploradas, la producción de núcleos, antinúcleos e hipernúcleos siguen el mismo esquema de hadronización, aunque sus energías de amarre son muy pequeñas en comparación con la temperatura de transición de fase. Medidas precisas pondrían límites muy fuertes sobre el papel de las re-interacciones después del enfriamiento químico. Eso es de gran relevancia para la física hadrónica, en particular, los datos de colisiones pA son muy importantes para los experimentos de búsqueda de materia obscura.
7. Las huellas de un comportamiento colectivo es una característica de la formación de un sistema de interacción fuerte (flujo radial, la dependencia con masa del flujo elíptico, triangular y otros). Sin embargo, fenómenos semejantes se observaron en colisiones de pA y hasta en colisiones de protón-protón [8]. La pregunta interesante es cuál es la dimensión más pequeña, en términos de energía y dimensión, de una gota de QGP a la cual se puede aplicar una descripción del líquido. Entre las preguntas pertinentes está: ¿Existen otros escenarios que pueden explicar los resultados, tales como MPI y la reconexión por color [9]?
8. Distribuciones de momento transverso de hadrones identificados, lo cual permite estudiar tres regiones: Bajo pT (<2 GeV/c) que es una herramienta para estudiar el flujo radial, el estado del sistema en el que se alcanza el equilibrio cinemático [10]; el pT intermedio (2-10 GeV/c) donde se ponen a prueba la existencia de nuevos mecanismos de hadronización como la recombinación [11], asimismo nos permite estudiar la interconexión entre los regímenes perturbativo y no-perturbativo; finalmente, el alto pT donde se estudia la posible modificación de la fragmentación cuando por ejemplo, un partón duro intercambia números cuánticos con el medio [12].
Además, gracias a las consideraciones de diseño del detector ALICE, es posible realizar estudios de procesos difractivos, tales como: medición de las secciones transversales de difracción simple y doble; la medición de la sección transversal inelástica en una región de baja masa difractiva (MX < 10 GeV/c2); Estudio de la fotoproducción de mesones vectoriales en colisiones ultraperiféricas. Además del estudio de rayos cósmicos como por ejemplo: los eventos con alta multiplicidad de muones atmosféricos; la razón ?+/ ?- en función del momento y la multiplicidad de muones atmosféricos.
Estructura del experimento ALICE
Las actividades de física en la Colaboración ALICE están organizadas por un Consejo de Física (PB, Physics Board) y ocho grupos de trabajo (PWG, Physics Working Groups). Cada PWG está dividido en PAGs (Physics Analysis Groups) donde se realiza el trabajo de cada análisis. Cada PAG y PWG tienen dos coordinadores. Los coordinadores de los PWG forman parte del PB. El PB tiene un coordinador general. Los PWG son: CF (Correlations and Flow), DQ (Dileptons and Quarkonia), GA (photons and neutral mesons), HF (Heavy Flavours), JE (Jets), LF (Light Flavours), PP (Physics Performance) y UD (UPC and Diffraction).
