相対論的重イオン衝突型加速器

相対論的重イオン衝突型加速器( RHIC / ˈ r ɪ k / )は、最初にして現在稼働している 2 基の重イオン衝突型加速器の 1 基であり、これまでに建設された唯一のスピン偏極陽子衝突型加速器です。ニューヨーク州アップトンのブルックヘブン国立研究所(BNL)に位置し、国際的な研究チームによって使用されており、米国で最後に稼働していた粒子衝突型加速器でした。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}物理学者は、相対論的速度で移動するイオンをRHIC で衝突させることにより、ビッグバン直後に宇宙に存在した原始的な物質の形態を研究しています。^{[ 4 ] [ 5 ]}スピン偏極陽子を衝突させることにより、陽子のスピン構造が探究されます。

RHICは世界で2番目にエネルギーの高い重イオン衝突型加速器であり、衝突時の核子エネルギーは金イオンで100 GeV、陽子で250 GeVに達しました。^{[ 6 ]} 2010年11月7日現在、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）はRHICよりも高いエネルギーで鉛の重イオンを衝突させています。^{[ 7 ]} LHCのイオン（鉛-鉛衝突および鉛-陽子衝突）の運転時間は、年間約1か月に制限されています。

2010年、RHICの物理学者たちは、以前の実験で得られた温度測定結果を発表し、金イオン衝突で345  MeV（4 テラケルビンまたは7兆華氏度）を超える温度が達成され、これらの衝突温度によって「通常の物質」が崩壊し、液体のようなクォークグルーオンプラズマが生成されたと結論付けた。^{[ 8 ]}

2020年1月、米国エネルギー省科学局は、ブルックヘブン国立研究所（BNL）の既存のRHIC施設を基盤として、将来の電子・イオン衝突型加速器（EIC）の設計としてeRHICを選定した。

RHICは2026年2月6日に最後の衝突を行い、データ収集を終了しました。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

RHICは交差型蓄積リング粒子加速器です。2つの独立したリング（便宜上「青」と「黄」と表記）が重イオンおよび/または偏極陽子を反対方向に周回し、衝突する正電荷粒子をほぼ自由に選択できます（eRHICアップグレードでは、正電荷粒子と負電荷粒子の衝突が可能になります）。RHICの二重蓄積リングは六角形をしており、円周は3834  mの湾曲した縁があり、そこに蓄積された粒子はニオブチタン導体を使用した1740 個の超伝導磁石によって偏向および集束される。双極子磁石は3.45 T 。^{[ 12 ]} 6 つの相互作用点 (2 つのリング内を周回する粒子間の相互作用点) は、2 つのリングが交差する 6 つの比較的直線的なセクションの中央にあり、粒子が衝突します。相互作用点は時計の位置で番号付けされており、注入は 6 時付近にあります。2 つの大規模実験、STAR と sPHENIX は、それぞれ 6 時と 8 時の位置にあります。sPHENIX 実験は RHIC で建設された最新の実験であり、8 時の位置にある PHENIX に取って代わります。^{[ 13 ]}

粒子はRHIC蓄積リングに到達する前に、いくつかのブースター段階を通過します。イオンの場合の最初の段階は電子ビームイオン源（EBIS）ですが、陽子の場合は、200 MeVの 線形加速器（Linac）が使用される。例として、EBISから放出される金原子核の運動エネルギーは核子あたり2  MeVのエネルギーを持ち、電荷Q  =  +32（金原子から剥ぎ取られた79個の電子のうち32個）を持つ。粒子はブースターシンクロトロンによって加速され、核子あたり100  MeVのエネルギーで、 Q  =  +77の入射粒子を交互勾配シンクロトロン（AGS）に注入し、最終的に到達する。核子あたり8.86  GeVのエネルギーを持ち、 Q  =  +79の状態（電子が残っていない状態）でAGS-to-RHIC転送ライン（AtR）を介してRHIC蓄積リングに注入されます。

現在までにRHICで研究されている粒子組み合わせの種類は、p + p、 p + Al、 p + Au、d + Au、h + Au、Cu + Cu、Cu + Au、Zr + Zr、Ru + Ru、Au + Au、U + U、O + Oです。入射粒子は通常、光速の99.995%で移動します。Au + Au衝突の場合、重心系エネルギーは通常 核子ペアあたり200 GeVで、 核子対あたり7.7 GeV。平均輝度は計画段階では2 × 10 ²⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹を目標としていた。衝突型加速器の現在の平均Au + Auルミノシティは87 × 10 ²⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹、設計値の44倍。^{[ 14 ]}重イオン輝度は確率的冷却によって大幅に増加する。^{[ 15 ]}

RHICのユニークな特徴の1つは、偏極陽子を衝突させる能力です。RHICは、最高エネルギーの偏極陽子ビームの記録を保持しています。偏極陽子はRHICに注入され、エネルギーランプ全体にわたってこの状態を維持します。これは、「シベリアンスネーク」（RHICでは4つのらせん状双極子磁石のチェーン）と呼ばれるコルクスクリュー磁気を利用して達成される困難な作業です。コルクスクリューは、磁場をビームの方向に沿ってらせん状に誘導します^{[ 16 ]。Run} -9は、重心系エネルギーを達成しました。 2009年2月12日に500 GeVに達した。 ^{[ 17 ]} Run-13では、衝突型加速器の平均p + pルミノシティは160 × 10 ³⁰  cm ⁻² ⋅s ⁻¹であり、時間と強度の平均偏光度は 52% である。^{[ 14 ]}

ACダイポールはRHICで初めて非線形機械診断に使用された。^{[ 18 ]}

• 加速器の構成要素
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  超伝導磁石を動作温度4.5K まで冷却する25MWヘリウム冷凍システム^{[ 19 ]} 
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  アークダイポール磁石。真空シェル上部セクションの電気バススロット（上と下）とビームチューブ（中央）^{[ 20 ]}
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  アークダイポール磁石の両端から見たビーム管の湾曲
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  RHICトンネル内部にある2つの主要な加速リング
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  STAR検出器
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  顕微鏡上のPHENIX検出器の前方シリコン頂点検出器（FVTX）センサー^{[ 21 ]}

現在、RHICでは2つの検出器が稼働しています。STAR（6時方向、AGS-RHIC間伝送線路付近）と、 PHENIXの後継機であるsPHENIX （8時方向）です。PHOBOS（10時方向）は2005年に、BRAHMS（2時方向）は2006年に運用を終了しました。

2 つの大型検出器のうち、STAR は、広い立体角をカバーする時間投影チェンバーのシステムと従来型のソレノイド磁場を使用してハドロンの検出を目的としており、PHENIX は、超伝導的に生成された軸方向磁場内の部分的な検出器システムを使用して、希少粒子と電磁粒子の検出に特化しています。小型検出器は擬ラピディティのカバー範囲が広く、PHOBOS はすべての検出器の中で最大の擬ラピディティのカバー範囲を持ち、バルク粒子多重度測定用に調整されています。一方、BRAHMS は、いわゆる「小x 」と飽和物理を研究するために、運動量分光用に設計されています。p + p散乱におけるスピン依存性を調査する追加の実験、PP2PP (現在は STAR の一部) があります。^{[ 22 ]}  

各実験の広報担当者は以下のとおりです。

• 星: フランク・ガーツ (ライス大学)
• PHENIX : 秋葉 康之 (理化学研究所)
• sPHENIX： メーガン・コナーズ（ジョージア州立大学）とジン・ファン（ブルックヘブン国立研究所）

クォークグルーオンプラズマの生成と研究という実験目的において、RHICは独自の基準測定値を提供する能力を備えています。これには、 200 GeVのAu + Au衝突の密度には達しない、より低エネルギーかつより低質量数の入射粒子の組み合わせが含まれます。例えば、以前の実験におけるp + p衝突やd + Au衝突、そしてRun-5におけるCu + Cu衝突などが挙げられます。         

このアプローチを用いると、RHICで生成された高温QCD物質の測定の重要な結果は次のようになります。^{[ 23 ]}

• 集団異方性、または楕円流。運動量の小さい粒子の大部分は、角度分布に従って放出される。${\displaystyle dn/d\phi \propto 1+2v_{2}(p_{\mathrm {T} })\cos 2\phi }$( p _Tは横方向運動量です。${\displaystyle \phi }$（反応面との角度）。これは、衝突中の原子核重なり領域の楕円形状と、生成された物質の流体力学的特性の直接的な結果です。
• ジェットクエンチング。重イオン衝突イベントでは、横方向のpTが大きい散乱は、媒質_を通過する際にエネルギーを失うため、ホットQCD物質のプローブとして機能します。実験的には、 A + A衝突で観測されたジェット収量と+ p衝突でのN _bin ×収量の比である量R _AA（ Aは質量数）は、 Aの増加に伴って強く減衰し、これは生成されたホットQCD物質の新しい特性を示しています。      
• カラーガラス凝縮の飽和。小さなビョルケンxを持つ深非弾性散乱に対する大きな対数項ln (1/x)の再和の結果であるBalitsky–Fadin–Kuraev–Lipatov (BFKL)ダイナミクス^{[ 24 ]}は、ユニタリ限界で飽和する。${\displaystyle Q_{s}^{2}\propto \langle N_{\mathrm {part} }\rangle /2}$_ここで、N は衝突に参加する核子の数（二体衝突の数とは異なる）である。観測された荷電多重度は、期待される依存性に従う。${\displaystyle n_{\mathrm {ch} }/A\propto 1/\alpha _{s}(Q_{s}^{2})}$これは、カラーガラス凝縮モデルの予測を裏付けるものです。詳細な議論については、例えば Dmitri Kharzeev らを参照してください。[ 25 ^{]カラーガラス}凝縮の概要については、例えば Iancu と Venugopalan を参照してください。^{[ 26 ]}
• 粒子比。統計モデルによって予測される粒子比を用いることで、化学的凍結温度Tchやハドロン化学ポテンシャルなどのパラメータを計算することができる_。$\displaystyle \mu _{B}}$実験値T _{ch は}使用するモデルによって多少異なり、ほとんどの著者は 160  MeV  < T _ch < 180 MeV という値を与えており、これは格子 QCD 計算によって得られた約 170 MeV という予想される QCD相転移値に非常に近い値です(例えば Karsch ^{[ 27 ]}を参照)。     

最初の数年間、理論家たちはRHICがクォークグルーオンプラズマを発見したと主張したがっていたが（例えばGyulassyとMcLarren ^{[ 28 ]}）、実験グループは結論に飛びつかないようより慎重で、さらなる測定が必要なさまざまな変数を挙げていた。^{[ 29 ]}現在の結果は、生成された物質が量子限界に近い粘性を持つ流体であることを示しているが、弱相互作用プラズマ（クォークグルーオンプラズマの外観に関する広く普及しているが定量的に根拠がないわけではない考え）とは異なる。

RHIC実験の実験 結果の最近の概要は、新しい物質状態の形成への示唆という観点から現在のデータを評価するRHIC実験のコミュニティ全体の取り組みである、Wayback Machineに2017年2月2日にアーカイブされたRHIC実験評価2004によって提供されています。 ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}これらの結果は、RHICでのデータ収集の最初の3年間からのものです。

2010年2月16日にPhysical Review Lettersに新たな結果が発表され、対称性変換の最初の兆候が発見されたこと、そしてRHICで生成された衝突の後に形成されたバブルが、通常クォークとグルーオン間の相互作用を特徴付けるパリティ対称性を破る可能性があることが観測によって示唆されていると述べられた。^{[ 34 ] [ 35 ]}

RHICの物理学者たちは、これらの実験で最大4兆ケルビンという新たな温度測定結果を発表した。これは実験室で達成された最高温度である。^{[ 36 ]}これは宇宙誕生時に存在した条件の再現であると説明されている。^{[ 37 ]}

2012年後半、原子力科学諮問委員会（NSAC）は、今後4年間、原子力科学予算が伸びない場合、2007年に作成された原子力科学長期計画をどのように実施するかについて、エネルギー省科学局と国立科学財団に助言するよう求められた。僅差の投票で、NSAC委員会は、科学とは関係のない考慮事項に基づいて、希少同位体ビーム施設（FRIB）の建設を中止するよりもRHICを閉鎖する方がわずかに好ましいという見解を示した。^{[ 38 ] [ 39 ]}

2015年10月までに予算状況は改善し、RHICは次の10年間も運営を継続した。^{[ 40 ]}

RHICは2000年に運転を開始し、2010年11月までは世界最高エネルギーの重イオン衝突型加速器でした。CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、主に陽子衝突に使用されますが、年間約1か月間は重イオン衝突も行います。LHCは、核子あたりのエネルギーがRHICの25倍も高い状態で運転されています。2018年現在、世界で稼働しているハドロン衝突型加速器はRHICとLHCの2つだけです。

年間稼働時間が長いため、RHICではより多くの種類の衝突イオンと衝突エネルギーを研究することが可能です。さらに、LHCとは異なり、RHICはスピン偏極陽子の加速も可能であり、スピン偏極陽子の構造研究において世界最高エネルギーの加速器としての地位を確立しています。

主要なアップグレードは、電子イオン衝突装置（EIC）であり、18 GeVの高強度電子ビーム施設が追加され 、電子イオン衝突が可能になった。衝突を研究するために、少なくとも1つの新しい検出器を構築する必要がある。レビューは、Abhay Deshpandeらによって2005年に発表された。^{[ 41 ]}より最近の説明は、^{[ 42 ]にある。}

2020年1月9日、米国エネルギー省科学局次官のポール・ダバー氏が、BNL eRHIC設計が米国の将来の電子イオン衝突型加速器（EIC）に選ばれたと発表した。サイト選定に加えて、BNL EICがエネルギー省からCD-0（ミッションニーズ）を取得したことも発表された。^{[ 43 ]}

RHICが稼働を開始する前、批評家たちは、極めて高いエネルギーが、ブラックホールの 生成、異なる量子力学的真空への遷移（偽真空を参照^）、または^通常の物質よりも安定した奇妙な物質の生成といった破滅的なシナリオを引き起こす可能性があると仮定した[44 ^]。これらの仮説は複雑だが、多くの仮説は、検討する理論に応じて、地球が数秒から数千年という時間枠で破壊されると予測している。しかし、太陽系の天体（例えば月）が、 RHICや他の人工衝突装置よりもはるかに高いエネルギーの宇宙粒子に数十億年にわたって衝突されてきたが、太陽系に何の被害もなかったという事実は、これらの仮説が根拠のないものであることを示す最も顕著な議論の一つであった^{[ 45 ] 。}

もう一つの主要な論争点は、物理学者に対し、そのような破滅的なシナリオの可能性を合理的に排除するよう求める批判者たちの要求であった。物理学者は、破滅的な出来事の発生確率がゼロであること、あるいは明日地球が「終末」の宇宙線に襲われることを実験的および天体物理学的に証明することはできない（可能性の上限を計算することしかできない）。その結果は、明らかに人間によって引き起こされるものではないものの、上述のような破壊的なシナリオと同じものになるだろう。この上限に関する議論によれば、RHICは地球の生存の可能性を極めて微々たる程度にしか変えないことになる。

RHIC粒子加速器に関して、メディア^{[ 46 ] [ 47 ]}と一般科学メディア[48]の両方で懸念が提起された。^{マーティン・}リースは、RHICに関して、終末シナリオのリスクは少なくとも5000万分の1の確率であると指摘した^{[ 49 ] 。}ストレンジレットの生成に関して、オックスフォード大学の物理学教授であるフランク・クローズは、「これが起こる確率は、宝くじで3週間連続で大賞に当たるようなものだ。問題は、人々が宝くじで3週間連続で当たることが可能だと信じていることだ」と指摘した^{[ 47 ]。}詳細な研究の後、科学者たちは、「RHICでの重イオン実験は地球を危険にさらすことはない」^{[ 50 ]}、そして「危険なストレンジレット生成の可能性に反する強力な経験的証拠がある」^{[ 45 ]といった結論に達した。}

この議論は、1999年にウォルター・L・ワグナーとF・ウィルチェックの間でサイエンティフィック・アメリカン誌上で交わされた書簡のやり取りから始まった。 ^{[ 51 ]}これは、 M・ムケルジーによる以前の記事に対する反応であった。^{[ 52 ]}メディアの注目は、1999年7月18日付の英国サンデー・タイムズ紙に掲載されたJ・リークの記事から始まり、^{[ 53 ]}米国のメディアでも記事が続いた。^{[ 54 ]}この論争は、ブルックヘブン国立研究所所長JH・マーバーガーが招集した委員会の報告書によってほぼ終結した。この報告書は、描かれた破滅的なシナリオを事実上否定した。^{[ 45 ]}しかし、この報告書は、相対論的宇宙線衝突生成物が地球を通過する際に「静止状態」のRHIC生成物とは異なる挙動を示す可能性、および高エネルギー陽子と地球または月との衝突の質的な違いがRHICでの金同士の衝突とは異なる可能性を残した。ワグナーはその後、サンフランシスコとニューヨークで連邦訴訟を起こし、RHICでの全エネルギー衝突を阻止しようと試みたが、成功しなかった。 ^{[ 55 ]}ニューヨークでの訴訟は、サンフランシスコでの訴訟が優先法廷であるという技術的な理由で却下された。サンフランシスコでの訴訟は却下されたが、追加情報が開発され裁判所に提出された場合は再提訴する許可が与えられた。^{[ 56 ]}

2005年3月17日、BBCは、研究者ホラツィウ・ナスターゼがRHICでブラックホールが生成されたと考えていることを示唆する記事を掲載した。^{[ 57 ]}しかし、BBCが引用したH.ナスターゼの原著論文^{[ 58 ]}とニューサイエンティストの記事^{[ 59 ]}は、RHICで生成された高温高密度QCD物質とブラックホールとの対応は、ミンコフスキー空間でのQCD散乱とAdS/CFTのAdS ₅ × X ₅空間での散乱との対応という意味においてのみであり、言い換えれば、数学的に類似しているにすぎないと述べている。したがって、RHIC衝突はAdS/CFT内の量子重力理論に関連する数学によって記述されるかもしれない が、記述される物理現象は同じではない。  

RHICプロジェクトは、米国エネルギー省科学局原子核物理学部によって後援されました。予算は6億1660万米ドルでした。^{[ 1 ]}

2006会計年度の運営予算は前年度より1,610万米ドル削減され、1億1,550万米ドルとなった。2006会計年度の連邦予算削減^{[ 60 ] [ 61 ]}の下での運営は不確実であったが、運営費の重要な部分（1,300万米ドル）はニューヨーク州イーストセトーケットのルネッサンス・テクノロジーズに近いグループによって民間から拠出された。^{[ 62 ] [ 63 ]}

• 小説『コスム』（ISBN 0-380-79052-1アメリカの作家グレゴリー・ベンフォードによる作品はRHICを舞台としている。SF設定では、ブラームス実験の物理学者である主人公アリシア・バターワースと、ウランイオンを扱っているRHICで偶然に新しい宇宙が創造される様子が描かれている。^{[ 64 ]}
• アメリカ人作家ブライアン・キーンのゾンビ黙示録小説『ザ・ライジング』は、1999年7月18日付のサンデー・タイムズ紙に掲載されたJ・リークの記事で取り上げられたRHICの起動に関するメディアの懸念に言及している。 ^{[ 53 ]} 物語の非常に早い段階で明らかにされたように、RHIC（「ヘイブンブルック国立研究所」に所在）の衝突実験の副作用が、この小説とその続編『シティ・オブ・ザ・デッド』におけるゾンビの反乱の原因であった。

• イザベル・プロジェクト
• 大型ハドロン衝突型加速器

• M. Harrison; T. Ludlam; S. Ozaki (2003). "相対論的重イオン衝突型加速器プロジェクト：RHICとその検出器" . Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A . 499 ( 2– 3): 235– 880. Bibcode : 2003NIMPA.499..235H . doi : 10.1016/S0168-9002(02)01937-X .プレプリントは以下から入手できます。

• ブラームス（2018年7月16日アーカイブ、 Wayback Machine）
• PHENIX 2017年5月22日にWayback Machineにアーカイブされました
• PHOBOS 2013年2月17日にWayback Machineにアーカイブされました
• 星

• ウィキメディア・コモンズにある相対論的重イオン衝突型加速器（RHI）関連のメディア
• ブルックヘブン国立研究所 衝突型加速器部門
• 相対論的重イオン衝突型加速器
• Googleマップで見る相対論的重イオン衝突型加速器
• RHICランの概要