Ядерная физика

Более 99% массы видимой материи во Вселенной составляет ядерная материя. Протоны и нейтроны являются строительными блоками атомных ядер. Экзотические формы ядерной материи присутствовали в ранней Вселенной и продолжают существовать сегодня в нейтронных звездах. Процессы ядерного синтеза в ядре нашего Солнца являются источником огромного потока энергии, поддерживающего жизнь на Земле. Ядерный синтез в звездах и ядерные процессы в конце звездной жизни сформировали богатый спектр элементов, которые мы наблюдаем в природе.

Ядерная физика — это изучение структуры ядер — их образования, стабильности и распада. Он направлен на понимание фундаментальных ядерных сил в природе, их симметрии и возникающих в результате сложных взаимодействий между протонами и нейтронами в ядрах и между кварками внутри адронов, включая протон.

Экспериментальная ядерная физика стимулирует инновации в научных приборах и оказывает далеко идущее влияние на исследования в других областях науки и техники. От медицины — рентгеновской и магнитно-резонансной томографии, лучевой терапии для лечения рака — до материаловедения — рентгеновской литографии и рассеяния нейтронов — до двигателей и производства энергии — физики-ядерщики изменили наш мир. Сегодняшние исследования в области ядерной физики не только решают фундаментальные вопросы о материи и энергии, но и позволяют использовать множество новых технологий в материаловедении, биологии, химии, медицине и национальной безопасности.

Теоретическая ядерная физика опирается на широкий спектр областей, таких как статистическая механика, гидродинамика, статистика, физика элементарных частиц, астрофизика и гравитация, чтобы понять фундаментальные свойства Вселенной в самых малых масштабах. Теоретики используют эти инструменты для изучения внутренней части нейтронных звезд, моделирования крошечных версий Большого взрыва, созданных в лаборатории, изучения гидродинамических свойств в релятивистских системах и расчета микроскопических взаимодействий кварков и глюонов.

У нас есть как экспериментальные, так и теоретические группы, охватывающие широкий спектр ядерной физики и смежных областей. У нас есть совместные докладчики, семинары, журнальные клубы и другие более неформальные взаимодействия, которые предоставляют уникальные возможности обучения для всех в этих группах.

Что мы делаем в экспериментальной ядерной физике в Иллинойсе?

Лаборатория ядерной физики (NPL) Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн проводит исследования в двух широких областях. Мы проводим точные измерения распада нейтрона и ищем электрический дипольный момент нейтрона и аксион. Мы также изучаем как горячую, так и холодную КХД в релятивистских экспериментах с тяжелыми ионами и в измерениях спин-зависимой структуры нуклонов.

У нас есть значительная современная инфраструктура для проектирования и создания научных приборов в нашей лаборатории. Мы сосредоточены на разработке инструментов для новых экспериментальных подходов к решению открытых вопросов в ядерной физике. Прошлые и текущие примеры включают сверхпроводящий магнит большого объема для эксперимента G0 в лаборатории Джефферсона, криогенную мишень 4He для эксперимента по EDM нейтронов в Окриджской национальной лаборатории, Вт-триггер и MPC, передовой ЭМС для эксперимента PHENIX в Брукхейвенской национальной лаборатории, большая планарная дрейфовая камера для эксперимента COMPASS в ЦЕРН, 6000 детекторных башен для электромагнитного калориметра для sPHENIX в Брукхейвенской национальной лаборатории и новая сверхстойкая к радиации передние детекторы для физики Pb-Pb и p-Pb в ATLAS в ЦЕРН.

Мы участвуем в нескольких крупномасштабных экспериментах на ускорительных и реакторных установках в США и за рубежом. Тщательный баланс между экспериментами на разных этапах — исследования и разработки, строительство, сбор данных, анализ данных — приводит к широкому спектру исследовательских возможностей. Наша большая группа, состоящая почти из 50 аспирантов, докторантов и студентов-исследователей, занимается открытиями в области фундаментальной ядерной физики, современными методами анализа данных и передовым оборудованием.

Эксперименты, статус и основные цели

• АРИАДНА (Axion Resonant InterAction DetectioN Experiment) — это эксперимент типа ЯМР, в котором ведется поиск индуцированной намагниченности в небольшом образце криогенных поляризованных атомов гелия-3, поскольку плотная немагнитная исходная масса модулируется в непосредственной близости. Это может быть сигналом экзотического спин-зависимого взаимодействия, которое может быть опосредовано аксионом, гипотетической легкой, слабо взаимодействующей частицей, которая стала главным кандидатом на роль темной материи.
• АТЛАС Исследование кварк-глюонной плазмы (КГП), образующейся при столкновениях крупных ядер, с использованием модификации струй из их вакуумных конфигураций фрагментации при их распространении через КГП. Группа из Иллинойса также вносит свой вклад в двухэтапную модернизацию калориметра нулевого градуса ATLAS для запусков 3 (2022–2025) и 4 (2029–2032) LHC высокой светимости и возглавляет разработку нового детектора плоскости реакции с использованием реконструкции ИИ. алгоритмы.
• BL3 Эксперимент Beam Lifetime (BL) в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) измеряет время жизни нейтрона с использованием другого метода, наблюдая за распадом нейтрона в полете. Время жизни нейтрона определяется путем сравнения скорости протонов бета-распада, захваченных в ловушке Пеннинга, со скоростью нейтронов пучка, прошедших через ловушку. Время жизни нейтрона, измеренное пучковым методом, отличается от измерения бутылочным методом (UCNtau) на ~10 секунд. Продолжающиеся разногласия намекают на новую физику, включая нейтронные колебания и физику низких энергий в темных секторах.
• КОМПАС (COMmon Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) — эксперимент с фиксированной мишенью в ЦЕРНе. Он использовал мюонные или адронные пучки суперпротонного синхротрона (SPS) для рассеивания неполяризованных или спин-поляризованных протонов или дейтронов от цели, а также неполяризованных более тяжелых ядерных целей. SPS также используется для ввода пучков в Большой адронный коллайдер (БАК).
• нейтронный ЭДМ Возможность существования ненулевого электрического дипольного момента нейтрона представляет большой фундаментальный интерес и напрямую влияет на наше понимание природы электрослабых и сильных взаимодействий. Экспериментальный поиск этого момента потенциально может выявить новые источники нарушений Т и СР. Такие новые источники помогут нам понять асимметрию материи и антиматерии во Вселенной и подвергнуть сомнению предлагаемые расширения Стандартной модели.
• Проект 8 Энергия бета-излучения, испускаемого атомами трития вблизи его конечной энергии, с помощью простой кинематики показывает абсолютную массу электронных нейтрино. Эксперимент Project 8 направлен на измерение массы нейтрино с использованием нового метода циклотронной радиационной эмиссионной спектроскопии (CRES) для достижения беспрецедентной чувствительности в 40 мэВ. Эта массовая чувствительность охватывает диапазон перевернутой иерархии масс нейтрино и достигает предсказания для нормальной иерархии.Для достижения этой цели нам необходимо улавливать атомарные трития. Магнито-гравитационная ловушка с использованием массива постоянных магнитов Хальбаха, аналогичная захвату УХН в эксперименте UCNτ, может быть легко применена для захвата холодных атомов трития.
• Морской квест Эксперимент Fermilab E-906/SeaQuest является частью серии экспериментов Дрелла-Яна с фиксированной мишенью, предназначенных для измерения антикварковой структуры нуклона и модификаций этой структуры, когда нуклон внедряется в ядро. Его основная цель — расширить этап измерения асимметрии морского вкуса. д (х) я и (х) в протоне, сделанном его предшественником, E866, в режиме high-x.
• сФЕНИКС Основным физическим мотивом для детектора sPHENIX является исследование кварк-глюонной плазмы (КГП), образующейся при столкновениях больших ядер, с использованием модификации струй из их конфигураций вакуумной фрагментации по мере распространения через КГП. Вместе с программой ATLAS детекторы на RHIC (sPHENIX) и LHC (ATLAS) позволят нам ограничить температурную зависимость свойств КГП. Эксперимент sPHENIX также позволяет измерять эффекты, зависящие от поперечного вращения и поперечного импульса протона.
• UCNtau Эксперимент UCNtau измеряет время жизни нейтрона с использованием магнитно-улавливаемых ультрахолодных нейтронов (UCN) в Лос-Аламосской национальной лаборатории. В аппарате UCNTau УХН поднимаются на магнитной подушке с помощью массива постоянных магнитов и удерживаются гравитационными полями Земли. Большой объем UCNTau, его асимметричная конструкция и использование активного счета нейтронов. на месте позволяют достичь точного определения времени жизни на уровне 1e-4, что необходимо для проверки унитарности матрицы CKM и физики зонда за пределами стандартной модели.

Теория, сотрудничество и основные цели

• МУЗЫ представляет собой междисциплинарную группу специалистов по физике в области КХД на решетке, ядерной физике, астрофизике гравитационных волн, релятивистской гидродинамике и специалистов по информатике в области программирования и разработки интерфейсов. Цель сотрудничества — помочь найти ответы на вопросы, связывающие ядерную физику, физику тяжелых ионов и гравитационные явления, такие как: что находится в ядре нейтронной звезды? Какие температуры достигаются при столкновении двух нейтронных звезд? Что могут рассказать нам ядерные эксперименты со столкновениями тяжелых ионов о самом сильном взаимодействии в природе и нейтронных звездах? https://muses.physics.illinois.edu/
• ИКАСУ является междисциплинарной ареной для исследований, образования и информационно-пропагандистской деятельности. Сотрудники центра ищут ответы на проблемы фундаментальной физики на стыке космологии, гравитации, физики высоких энергий и ядерной физики. Исследователи ICASU задают такие вопросы, как: Из чего состоит Вселенная на самом фундаментальном уровне? Каковы принципы, симметрии и силы, управляющие взаимодействием фундаментальных частиц и полей? и Как работает Вселенная во всех масштабах энергии, кривизны и размера? Эти вопросы исследуются в ядерной физике путем изучения всех форм ядерной материи; в физике высоких энергий посредством изучения взаимодействий частиц во всех масштабах энергии; в космологии через изучение эволюции Вселенной; и в гравитационной физике через изучение черных дыр, нейтронных звезд и гравитационных волн. ICASU фокусируется на многих связях между этими областями и позволяет проводить междисциплинарные исследования, которые углубляют наше понимание Вселенной.
  https://icasu.illinois.edu/
• Подробнее о других проектах можно узнать на Страница исследований ядерной теории!