상대론적 중이온 충돌기

3. 실험

4. 주요 연구 결과

RHIC는 쿼크-글루온 플라즈마를 생성하고 연구하는 실험적 목표를 가지고 있으며, 자체적인 기준 측정을 제공할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 낮은 에너지 및 낮은 질량수 발사체 조합(예: p + p 및 d + Au 충돌)과 Cu + Cu 충돌을 통해, 200 GeV Au + Au 충돌과 같은 밀도를 생성하지 않는 조건에서도 실험이 가능하다.^[20]

이러한 접근 방식을 사용하여 RHIC에서 생성된 뜨거운 QCD 물질에 대한 주요 연구 결과는 다음과 같다:

• '''집단적 이방성 또는 타원 흐름''': 낮은 운동량을 가진 입자의 각도 분포는 $dn/d\backslash phi\; \backslash propto\; 1\; +\; 2\; v\_2(p\_\backslash mathrm\{T\})\; \backslash cos\; 2\; \backslash phi$를 따른다( ''p''_T는 횡운동량, $\backslash phi$는 반응 평면과의 각도). 이는 핵 겹침 영역의 타원형 모양과 생성된 물질의 유체역학적 특성의 결과이다.
• '''제트 억제''': 중이온 충돌에서 높은 횡 ''p''_T로의 산란은 뜨거운 QCD 물질을 탐침할 수 있게 한다. 매질을 통과하며 에너지를 잃기 때문이다. ''R_AA''(A는 질량수)는 ''A'' + ''A'' 충돌에서 관찰된 제트 수율과 p + p 충돌에서 ''N''_bin × 수율의 몫으로, ''A''가 증가함에 따라 강한 감쇠를 보여준다. 이는 생성된 뜨거운 QCD 물질의 새로운 특성을 나타낸다.
• '''색유리 응축 포화''': Bjorken-''x''가 작은 경우, Balitsky–Fadin–Kuraev–Lipatov(BFKL) 역학^[21]은 단일성 한계 $Q\_s^2\; \backslash propto\; \backslash langle\; N\_\backslash mathrm\{part\}\; \backslash rangle/2$에서 포화된다. 여기서 ''N''_part/2는 충돌에 참여하는 핵자 수이다. 관찰된 전하 다중도는 $n\_\backslash mathrm\{ch\}/A\; \backslash propto\; 1/\backslash alpha\_s(Q\_s^2)$의 예상 의존성을 따르며, 색유리 응축 모델의 예측을 뒷받침한다.^[22][23]
• '''입자 비율''': 통계 모델에서 예측된 입자 비율은 화학적 동결 온도 ''T''_ch 및 핵자 화학 퍼텐셜 $\backslash mu\_B$ 계산을 가능하게 한다. 실험 값 ''T''_ch는 모델에 따라 다르지만, 대부분 160 MeV < ''T''_ch < 180 MeV이며, 격자 QCD 계산으로 얻은 QCD 상전이 값(약 170 MeV)과 매우 가깝다.^[24]

5. 미래 계획

CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)는 주로 양성자 충돌에 사용되지만, 1년에 약 한 달 동안 중이온을 사용하며 핵자당 25배 더 높은 에너지로 작동한다. 2018년 현재, 상대론적 중이온 충돌기와 LHC는 세계에서 유일하게 가동 중인 강입자 충돌기이다.

1년당 더 긴 가동 시간으로 인해, 상대론적 중이온 충돌기에서는 더 많은 수의 충돌 이온 종과 충돌 에너지를 연구할 수 있다. 또한, LHC와 달리 상대론적 중이온 충돌기는 스핀 편극 양성자를 가속할 수 있으며, 이는 스핀 편극 양성자 구조를 연구하기 위한 세계 최고 에너지 가속기로 남게 할 것이다.

주요 업그레이드는 전자-이온 충돌기(EIC)로, 18GeV 고강도 전자 빔 시설을 추가하여 전자-이온 충돌을 가능하게 한다. 충돌을 연구하기 위해 최소 하나의 새로운 검출기가 구축되어야 할 것이다.^[38]

2020년 1월 9일, 미국 에너지부 과학실의 차관인 Paul Dabbar는 BNL eRHIC 설계가 향후 전자-이온 충돌기(EIC)로 선정되었다고 발표했다. 부지 선정 외에도 BNL EIC가 에너지부로부터 CD-0(임무 필요)을 획득했다고 발표했다.^[40]

6. 비판 및 논란

RHIC 가동 전, 일각에서는 극도로 높은 에너지가 여러 파국적인 시나리오를 초래할 수 있다는 우려를 제기했다. 이러한 시나리오에는 블랙홀 생성, 다른 양자역학적 진공 상태로의 전이 (false vacuum|거짓 진공^영어 참조), 일반 물질보다 더 안정적인 기묘 물질 생성이 포함되었다.^[41] 이러한 가설은 복잡하지만, 많은 경우 이론에 따라 지구가 수 초에서 수천 년 안에 파괴될 것이라고 예측했다. 그러나 태양계 천체(예: 달)가 수십억 년 동안 RHIC 및 기타 인공 가속기보다 훨씬 높은 에너지를 가진 우주선에 의해 폭격을 받았지만 아무런 해도 없었다는 사실은 이러한 가설이 근거 없다는 가장 강력한 반박 중 하나였다.^[47]

또 다른 주요 논란은 그러한 파국적 시나리오의 확률을 합리적으로 배제해야 한다는 비판론자들의 요구였다. 물리학자들은 파국적 사건의 확률이 0임을 실험적이고 천체 물리학적으로 증명할 수 없으며, 내일 지구에 "종말" 우주선이 충돌할 것이라는 점도 증명할 수 없다고 반박했다. 다만 가능성의 상한을 계산할 수 있을 뿐이며, RHIC가 지구의 생존 가능성을 미세한 양으로나마 변경할 것이라는 주장이 제기되었다.

RHIC 입자 가속기와 관련하여 언론^[42][43]과 과학 대중 매체^[44]에서 우려가 제기되었다. 마틴 리스는 RHIC와 관련하여 종말 시나리오의 위험이 최소 5천만 분의 1이라고 지적했다.^[45] 기묘 물질 생성과 관련하여, 옥스퍼드 대학교 물리학 교수 프랭크 클로스는 "이러한 일이 일어날 가능성은 복권에서 3주 연속으로 1등에 당첨되는 것과 같다. 문제는 사람들이 복권에 3주 연속 당첨될 수 있다고 믿는다는 것이다."라고 언급했다.^[43] 과학자들은 상세한 연구를 통해 "합리적인 의심의 여지 없이, RHIC에서의 중이온 실험은 우리 행성을 위험에 빠뜨리지 않을 것"^[46], 그리고 "위험한 기묘 물질 생산 가능성에 대한 강력한 경험적 증거"가 있다는 결론에 도달했다.^[47]

이 논쟁은 1999년 월터 L. 와그너와 프랭크 윌첵 간의 ''사이언티픽 아메리칸''에 실린 서신 교환으로 시작되었으며,^[48] 이는 M. 무케르지의 이전 기사에 대한 응답이었다.^[49] 미디어의 관심은 1999년 7월 18일, J. 리크가 쓴 영국 ''더 선데이 타임즈'' 기사^[50]로 전개되었고, 곧이어 미국 언론에서도 기사가 이어졌다.^[51] 논란은 브룩헤이븐 국립 연구소 이사 존 마버거가 소집한 위원회 보고서로 대부분 종결되었는데, 이 보고서는 묘사된 파국적 시나리오를 배제하는 것처럼 보였다.^[47] 그러나 보고서는 상대론적 우주선 충돌 생성물이 "정지된" RHIC 생성물과 비교하여 지구를 통과하는 동안 다르게 행동할 수 있다는 가능성을 열어두었고, 고에너지 양성자 충돌이 지구 또는 달에 미치는 질적 차이가 RHIC에서의 금-금 충돌과 다를 수 있다는 가능성도 열어두었다. 와그너는 이후 RHIC에서의 완전 에너지 충돌을 막기 위해 샌프란시스코와 뉴욕에서 미국 연방 정부에 소송을 제기했지만 실패했다.^[52] 뉴욕 소송은 샌프란시스코 소송이 선호되는 포럼이라는 기술적인 이유로 기각되었다. 샌프란시스코 소송은 기각되었지만, 추가 정보가 개발되어 법원에 제출될 경우 재제기할 수 있도록 허용되었다.^[53]

2005년 3월 17일, BBC는 연구원 호라치우 너스타세가 RHIC에서 블랙홀이 생성되었다고 믿는다는 기사를 게재했다.^[54] 그러나 H. 너스타세의 원래 논문^[55]과 BBC가 인용한 ''뉴 사이언티스트'' 기사^[56]는 RHIC에서 생성된 뜨겁고 밀도가 높은 QCD 물질이 블랙홀과 일치하는 것은 민코프스키 공간에서의 양자 색역학 산란과 AdS/CFT에서 ''AdS''₅ × ''X''₅ 공간에서의 산란의 일치라는 의미일 뿐이라고 명시하고 있다. 즉, 수학적으로 유사하다는 것이다. 따라서 RHIC 충돌은 AdS/CFT 내에서 양자 중력 이론과 관련된 수학으로 설명될 수 있지만, 묘사된 물리적 현상은 동일하지 않다.

7. 재정

미국 에너지부 과학국 핵물리학과가 상대론적 중이온 충돌기(RHIC) 프로젝트를 후원했다. 이 프로젝트의 예산은 6.166억달러였다.^[1]

2006 회계 연도의 운영 예산은 전년도보다 1610.0000000000002만달러 삭감된 1.155억달러였다. 2006 회계 연도 연방 예산 삭감으로 인해 운영이 불확실했음에도 불구하고,^[57][58] 운영 비용의 핵심 부분(1300만달러)은 뉴욕주 이스트 세토켓에 위치한 르네상스 테크놀로지스와 가까운 그룹에서 사적으로 기부했다.^[59][60]

2012년 말, 미국 에너지부 과학국과 미국 국립 과학 재단은 향후 4년간 핵물리학 예산이 성장하지 않을 경우, 2007년에 작성된 핵물리학 장기 계획을 어떻게 실행할지에 대한 자문을 핵물리학 자문 위원회(NSAC)에 요청했다. 좁은 표결 결과, NSAC 위원회는 과학과 무관한 고려 사항을 근거로, 희귀 동위원소 빔 시설(FRIB) 건설을 취소하는 것보다 RHIC를 폐쇄하는 쪽에 약간의 선호를 보였다.^[35][36]

2015년 10월까지 예산 상황이 개선되어 RHIC는 다음 10년 동안 운영을 계속했다.^[37]

8. 기타

• 미국 작가 그레고리 벤포드의 소설 ''코즘''은 상대론적 중이온 충돌기를 배경으로 한다. 이 과학 소설에서는 BRAHMS 실험의 물리학자 앨리샤 버터워스와 우라늄 이온을 사용한 실험 중 우연히 상대론적 중이온 충돌기에서 새로운 우주가 생성되는 것을 묘사한다.^[61]
• 미국 작가 브라이언 킨의 좀비 종말 소설 ''더 라이징''은 1999년 7월 18일 J. 리크가 쓴 ''더 선데이 타임스'' 기사에서 제기된 상대론적 중이온 충돌기 가동에 대한 언론의 우려를 언급했다.^[50] 이야기 초반부에 밝혀지듯이, "헤이븐브룩 국립 연구소"에 위치한 상대론적 중이온 충돌기의 충돌기 실험의 부작용이 이 소설과 속편인 ''시티 오브 더 데드''에서 좀비 봉기를 일으킨 원인이 되었다.
• 미국 작가 오델로 구든 주니어의 소설 시리즈 ''레이로리아의 기억''은 ''레이로리안 던''으로 시작하며, 각 달의 도시와 그들의 우주 정거장이 상대론적 중이온 충돌기에 의해 가동된다는 점에 주목한다.

참조

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