yleiskatsaus
ydinfysiikan tutkimus keskittyy ymmärtämään kvarkeista ja gluoneista koostuvaa ainetta, joka muodostaa 99% maailmankaikkeuden massasta. Suurin osa tästä aineesta löytyy atomien ytimestä, samoista atomeista, jotka käsittävät kaiken ympärillämme näkemämme (mukaan lukien itsemme). Tutkijat pyrkivät vastaamaan muun muassa siihen, miten maailmankaikkeus kehittyi heti alkuräjähdyksen jälkeen superkuumasta kvarkkien ja gluonien plasmasta, miten maailmankaikkeuden eri alkuaineet ovat muodostuneet ja miten ydin koostuu yksittäisistä protoneista ja neutroneista, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa luonnon voimakkaimmalla voimalla. Protonit ja neutronit itsessään ovat kvarkkien perustiloja maailmankaikkeudessa; kuinka nämä tilat muodostuvat kvarkeista, jotka ovat vuorovaikutuksessa Kvanttikromodynamiikan kuvaaman gluonikentän kanssa, on vielä vain huonosti ymmärretty ja aktiivisen tutkimuksen alla.
kokeellinen ydinfysiikan tutkimus
Moderni kokeellinen tutkimus tällä alalla käyttää sekä protonien että suurten ytimien suurienergistä kiihtyvyyttä, kun taas suuri osa nykyaikaisesta teoreettisesta tutkimuksesta nojaa suuritehoisiin laskennallisiin laitteistoihin tietojen ymmärtämiseksi ja yksityiskohtaisten ennusteiden tekemiseksi. Coloradon yliopistossa on aktiivisia ryhmiä sekä teoreettisessa että kokeellisessa ydinfysiikan tutkimuksessa.
Osallistuva Tiedekunta
teoreettinen ydinfysiikan tutkimus
tämän alan fyysikot tutkivat vahvan voiman luonnetta tutkimalla Kvanttikromodynamiikan teoriaa. Toisin kuin sähkömagnetismin kvanttiteoriassa, Kvanttikromodynamiikassa on se ominaisuus, että perushiukkaset (kvarkit ja gluonit) vuorovaikuttavat yhä heikommin luotattaessa yhä korkeampia energia-asteikkoja tai lämpötiloja. Tätä teorian ominaisuutta kutsutaan asymptoottiseksi vapaudeksi.
kvarkki-Gluoniplasma
yksi mielenkiintoinen seuraus asymptoottisesta vapaudesta on se, että jossain temperatuurissa vuorovaikutuksen pitäisi olla niin heikkoa, että perushiukkaset eivät enää sitoudu (con ned) tavallisten ytimien sisälle. Käyttämällä viimeisintä tekniikkaa edustavia tietokonesimulaatioita kvanttikromodynamiikasta nite-lämpötilassa, on mahdollista laskea tämän lämpötilan olevan T≈170 MeV eli noin 2 biljoonaa Kelviniä. Tämän lämpötilan yläpuolella aine on aineen uudessa vaiheessa, jota kutsutaan kvarkki-gluoniplasmaksi. Tämän kvarkki-gluoniplasman ominaisuuksia tutkitaan tällä hetkellä Relativistisella Heavy-Ion Colliderilla (RHIC) ja Large Hadron Colliderilla (LHC) tehdyillä kokeilla.
relativistinen Hydrodynamiikka
RHIC: stä ja LHC: stä saadut kokeelliset tiedot osoittavat vahvasti, että kvarkki-gluoniplasma on poikkeuksellisen hyvä neste, jonka viskositeetti on hyvin pieni. Tämä motivoi kokeellisten tulosten teoreettista tutkimista fluididynaamisilla simulaatioilla. Koska näihin kokeisiin liittyvä energia on hyvin suuri, nesteen aineosat liikkuvat lähes valonnopeudella, minkä vuoksi on tarpeen käyttää täysin relativistista versiota hydrodynamiikasta.
neutronitähdet
hyvin korkeat tiheydet muistuttavat hyvin korkeita lämpötiloja siinä mielessä, että Kvanttikromodynaaminen vuorovaikutus tulee heikoksi. Neutronitähtien keskusten odotetaan saavuttavan maailmankaikkeuden korkeimmat hiukkastiheydet, joten on mahdollista, että neutronitähdillä on kvarkki-ainetta sisimmässään. Neutronitähtien ominaisuuksien tutkiminen ja vertailu havaintoaineistoon on myös yksi teoreettisen ydinfysiikan tutkimuskohteista.
Osallistuva Tiedekunta
- Paul Romatschke