Keuzecollege Hoge EnergieFysica Katholieke Universiteit ... - EHEF

8.4 Zware ionen botsers
Hoewel het er misschien niet strikt toe behoort is om allerlei praktische redenen het botsen van
zware ionen op zware ionen een deel van het hoge energiefysica programma. In deze experimenten
zoekt men naar het quark-gluon plasma. Als er voldoende hoge energieën in een klein volume
worden gestopt zal een verzameling protonen en neutronen zich niet meer gedragen als protonen en
neutronen die allemaal kleurneutraal zijn en slechts een kleine schaduw van de sterke interactie voelen,
maar zullen alle quarks en gluonen zich vrijelijk door een groter volume gaan bewegen. Met
behulp van de wet van Stefan-Boltzmann voor de energiedichtheid (energie per volume):
kunnen we inzien wat er gebeurt als er een quark gluon plasma wordt gevormd. In deze formule is n
het aantal vrijheidsgraden van de deeltjes in een gas. In “normale” omstandigheden zijn die deeltjes
overwegend pionen en is n = 3 vanwege de drie mogelijke ladingstoestanden van de pionen. Als
zich een quark-gluon plasma vormt zijn de deeltjes de min of meer vrije quarks en gluonen. Gluonen
hebben 2 spin maal 8 kleur vrijheidsgraden, dus in totaal n g
= 16 . Quarks hebben 2 spin maal 3
kleur maal 2 isospin (u,d) maal 7/8 (een factor die komt omdat quarks fermionen zijn) is
n q
= n q
= 21 ⁄ 2 vrijheidsgraden (voor quarks en anti-quarks is dit gelijk). Het totaal aantal vrijheidsgraden
in het plasma wordt dan gegeven door n = n g
+ n q
+ n q
= 37 . Bij een faseovergang
naar het quark-gluon plasma neemt de energiedichtheid dus toe met een factor van ongeveer 12. De
temperatuur waarbij dit ongeveer zou moeten gebeuren correspondeert met ongeveer T c
= 150
MeV. De detectie van de faseovergang is moeilijk omdat de gluonen en quarks hadroniseren als het
plasma afkoelt en hun oorspronkelijke statistische informatie verliezen. Men kijkt dus vooral naar
het spectrum van fotonen (die niet door hadronisatie vervormt) en naar de onderdrukking van
bijvoorbeeld J ⁄ ψ mesonen. Dit laatste treedt op omdat als uit de zee een cc paar wordt gevormd dit
door kleurafscherming in een plasma veel meer kans heeft uit elkaar gedreven te worden en geen
J ⁄ ψ te vormen dan in een situatie met alleen maar kleurneutrale objecten (hadronen) in de omgeving.
8.5 Versneller neutrino experimenten
ε
E
= -- = n-----T π2 4
V 30
In het recente verleden zijn er twee experimenten gedaan op CERN door de NOMAD en CHORUS
collaboraties om naar neutrino oscillaties te zoeken. Het principe van het experiment was in beide
gevallen hetzelfde: muon-neutrino bundels worden in een grote
hoeveelheid materiaal geschoten waarin ook detectievlakken
liggen. In het experiment wordt dan gezocht naar muon-neutrino’s
die in een eventuele reactie een tau lepton produceren. Het verval
van het tau lepton is te onderscheiden van de achtergrond door een
secondaire vertex te reconstrueren.
Er is ook een primaire vertex, die kan worden
gevonden door de sporen terug te reconstrueren
die komen uit de interactie van het tauneutrino
met een nucleon (proton of neutron),
dezelfde reactie waarin ook het geladen tau-lepton
is gevormd. ‘Rechtsboven’ deze tekst staat
(9.1)
118 Collegedictaat Hoge Energiefysica