ALICE (A Large Ion Collider Experiment; en español, Gran Experimento Colisionador de Iones) es uno de los ocho experimentos con detectores en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Los otros siete son: ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, LHCf, MoEDAL y FASER.
Introducción izquierda|miniaturadeimagen|450x450px|Vista recortada de ALICE generada por computadora que muestra los 18 detectores del experimento. ALICE está optimizado para estudiar colisiones de iones pesados (núcleos de Pb-Pb) en un centro de energía de masa de hasta 5,02TeV por par de nucleones. La temperatura y la densidad de energía resultantes permiten la exploración del plasma de quarks-gluones, un quinto estado de la materia en el que se liberan quarks y gluones. Se cree que condiciones similares existieron una fracción de segundo después del Big Bang antes de que los quarks y gluones se unieran para formar hadrones y partículas más pesadas.ALICE through the phase transition, CERN Courier, 30 October 2000.
ALICE se centra en la física de la materia que interactúa fuertemente a densidades de energía extremas. Las propiedades del plasma de quarks-gluones y la comprensión del desconfinamiento de quarks son cuestiones clave en la cromodinámica cuántica (QCD, por sus siglas en inglés). Los resultados obtenidos por ALICE corroboran la comprensión del confinamiento del color y la restauración de la simetría quiral. Se espera que la recreación de la forma primordial de la materia, el plasma de quark-gluones, y la comprensión de cómo evoluciona, arroje luz sobre las preguntas sobre cómo está organizada la materia, el mecanismo que confina los quarks y gluones y la naturaleza de las interacciones fuertes y cómo resultan en la generación de la mayor parte de la masa de materia ordinaria.
La cromodinámica cuántica (QCD) predice que a densidades de energía suficientemente altas habrá una transición de fase desde la materia hadrónica convencional, donde los quarks están encerrados dentro de partículas nucleares, a un plasma de quarks y gluones desconfinados. Se cree que el reverso de esta transición tuvo lugar cuando el universo tenía solo 1 μs de edad, y aún puede desempeñar un papel hoy en día en los corazones de las estrellas de neutrones que colapsan u otros objetos astrofísicos.Panos Charito, Interview with Krishna Rajacopal, ALICE Matters, 15 April 2013. Retrieved 20 January 2019.Panos Charitos, Interview with Johan Rafelski, ALICE Matters, 18 December 2012. Retrieved 20 January 2019.
Historia La idea de construir un detector de iones pesados dedicado para el LHC se transmitió por primera vez en la histórica reunión de Evian "Hacia el programa experimental del LHC" en marzo de 1992. A partir de las ideas presentadas allí, se formó la colaboración ALICE y en 1993, un reglamento fue presentado.ALICE New Kid on the block CERN Courier, 19 September 2008.
ALICE se propuso por primera vez como detector central en 1993 y luego se complementó con un espectrómetro de muones directo adicional diseñado en 1995. En 1997, ALICE recibió luz verde del Comité del LHC para avanzar hacia el diseño y la construcción finales.ALICE Experiment approved CERN timeline. 14 February 1997. Retrieved 20 January 2019.
Los primeros diez años se dedicaron al diseño y a un gran esfuerzo en I+D. Al igual que para todos los demás experimentos del LHC, quedó claro desde el principio que tampoco los desafíos de la física de iones pesados en el LHC realmente no se podrían cumplir (ni pagar) con la tecnología existente. Se necesitarían avances significativos, y en algunos casos un gran avance tecnológico, para construir sobre el terreno lo que los físicos habían soñado en papel para sus experimentos. El esfuerzo de I+D inicialmente muy amplio y luego más centrado, bien organizado y bien apoyado, que se mantuvo durante la mayor parte de la década de 1990, ha llevado a muchos avances evolutivos y algunos revolucionarios en detectores, electrónica e informática.
El diseño de un experimento de iones pesados dedicado a principios de los años90 para su uso en el LHC unos 15años después planteó algunos desafíos abrumadores. El detector tenía que ser de propósito general, capaz de medir la mayoría de las señales de interés potencial, incluso si su relevancia solo puede hacerse evidente más adelante, y ser flexible, permitiendo adiciones y modificaciones en el camino a medida que se abran nuevas vías de investigación. En ambos aspectos, ALICE lo hizo bastante bien, ya que incluyó una serie de observables en su menú inicial cuya importancia solo se hizo evidente más tarde. Se agregaron varios sistemas de detección importantes, desde el espectrómetro de muones en 1995, los detectores de radiación de transición en 1999 hasta un gran calorímetro de chorro agregado en 2007.
ALICE registró datos de las primeras colisiones plomo-plomo en el LHC en 2010. Los conjuntos de datos tomados durante los períodos de iones pesados en 2010 y 2011, así como los datos de protones-plomo de 2013, han proporcionado una base excelente para una mirada en profundidad a la física del plasma de quarks-gluones.
A 2014 Después de más de tres años de funcionamiento exitoso, el detector ALICE está a punto de someterse a un importante programa de consolidación y actualización durante el largo cierre [LS1] del complejo de aceleradores del CERN. Se instalará un nuevo subdetector llamado calorímetro DCAL y se actualizarán los 18subdetectores existentes de ALICE. También se realizarán importantes obras de renovación en la infraestructura de ALICE, incluidos los sistemas eléctricos y de refrigeración. La riqueza de los resultados científicos publicados y el intenso programa de actualización de ALICE han atraído a numerosos institutos y científicos de todo el mundo. Hoy, la Colaboración ALICE tiene más de 1800miembros provenientes de 176institutos en 41países.
Colisiones de iones pesados en el LHC Las búsquedas de plasma Quark Gluon y una comprensión más profunda de QCD comenzaron en el CERN y Brookhaven con iones más ligeros en la década de 1980.Experiments Revisit the Quark-Gluon Plasma CERN Courier, 26 February 2001.RHIC starts producing data CERN Courier, 10 October 2000. El programa de hoy en estos laboratorios ha pasado a las colisiones ultrarelativistas de iones pesados y apenas está alcanzando el umbral de energía en el que se espera que ocurra la transición de fase. El LHC, con una energía de centro de masa de alrededor de 5,5TeV/nucleón, impulsará el alcance de la energía aún más.
Durante las colisiones frontales de iones de plomo en el LHC, cientos de protones y neutrones chocan entre sí a energías de más de unos pocos TeV. Los iones de plomo se aceleran a más del 99,9999% de la velocidad de la luz y las colisiones en el LHC son 100veces más energéticas que las de los protones, calentando la materia en el punto de interacción a una temperatura casi 100000veces más alta que la temperatura en el núcleo del Sol (~ 1,5 billones de grados centígrados).
Cuando los dos núcleos de plomo chocan entre sí, la materia experimenta una transición para formar por un breve instante una gota de materia primordial, el llamado plasma de quark-gluón que se cree que llenó el universo unos microsegundos después del Big Bang.
El plasma de quarks y gluones se forma cuando los protones y neutrones se "funden" en sus constituyentes elementales, los quarks y gluones se vuelven asintóticamente libres. La gota de QGP se enfría instantáneamente, y los quarks y gluones individuales (denominados colectivamente partones) se recombinan en una ventisca de materia ordinaria que acelera en todas direcciones.Interview with CERN's theorist Urs Wiedemann ALICE Matters, 13 July 2012 Los desechos contienen partículas como piones y kaones, que están formados por un quark y un antiquark; protones y neutrones, hechos de tres quarks; e incluso abundantes antiprotones y antineutrones, que pueden combinarse para formar los núcleos de antiatómicos tan pesados como el helio. Se puede aprender mucho al estudiar la distribución y la energía de estos desechos.
Primeras colisiones plomo-plomo miniaturadeimagen|Una de las primeras colisiones de iones de plomo del LHC, según lo registrado por el detector ALICE. El Gran Colisionador de Hadrones rompió sus primeros iones de plomo en 2010, el 7 de noviembre alrededor de las 12:30 a.m. CET.LHC begins physics with lead ions CERN Courier, 30 November 2010.First ions for ALICE and rings for LHCb CERN Courier, 30 October 2009.
Las primeras colisiones en el centro de los detectores ALICE, ATLAS y CMS tuvieron lugar menos de 72horas después de que el LHC terminara su primera serie de protones y cambiara a haces de iones de plomo acelerados. Cada núcleo principal contiene 82protones y el LHC acelera cada protón a una energía de 3,5TeV (~ 99,999996 % de la velocidad de la luz), lo que da como resultado una energía de 287TeV por haz, o una energía de colisión total de 574TeV.
Se emitieron hasta 3000partículas cargadas de cada colisión, que se muestran aquí como líneas que irradian desde el punto de colisión. Los colores de las líneas indican cuánta energía extrajo cada partícula de la colisión.
Colisiones de protones-plomo en el LHC miniaturadeimagen|Colisión de iones protón-plomo registrada por el experimento ALICE el 13 de septiembre de 2012 en un centro de energía de masa por par de nucleón-nucleón en colisión de 5,02 TeV. En 2013, el LHC colisionó protones con iones de plomo para los primeros haces físicos del LHC de 2013.First lead-ion collisions in the LHC Symmetry Magazine, 8 November 2010. El experimento se llevó a cabo mediante haces de protones e iones de plomo en contrarrotación, y comenzó con órbitas centradas con diferentes frecuencias de revolución, y luego se amplió por separado hasta la máxima energía de colisión del acelerador..
La primera prueba de plomo-protón en el LHC duró un mes y los datos ayudan a los físicos de ALICE a desacoplar los efectos del plasma de los efectos que se derivan de los efectos de la materia nuclear fría y arrojar más luz sobre el estudio del plasma Quark-Gluon.
En el caso de las colisiones de plomo-plomo, las configuraciones de los quarks y gluones que forman los protones y neutrones del núcleo de plomo entrante pueden ser algo diferentes de las de los protones entrantes. Con el fin de estudiar si parte de los efectos que vemos al comparar las colisiones de plomo-plomo y protón-protón se debe a esta diferencia de configuración más que a la formación del plasma. Las colisiones de protones y plomo son una herramienta ideal para este estudio.
Los detectores ALICE Una consideración clave del diseño de ALICE es la capacidad de estudiar el QCD y el (des)confinamiento de quarks en estas condiciones extremas. Esto se hace mediante el uso de partículas, creadas dentro del volumen caliente a medida que se expande y se enfría, que viven lo suficiente como para alcanzar las capas sensibles del detector situadas alrededor de la región de interacción. El programa de física de ALICE se basa en poder identificarlos a todos, es decir, determinar si son electrones, fotones, piones, etc. y determinar su carga. Esto implica aprovechar al máximo las formas (a veces ligeramente) diferentes en las que las partículas interactúan con la materia.Particle identification in ALICE boosts QGP studies CERN Courier, 23 August 2012.