ฟิสิกส์นิวเคลียร์พลังงานสูงศึกษาพฤติกรรมของสสารนิวเคลียร์ในระบอบพลังงานทั่วไปของฟิสิกส์พลังงานสูงจุดเน้นหลักของสาขานี้คือการศึกษาการชนกันของไอออนหนัก เมื่อเปรียบเทียบกับอะตอมที่เบากว่าในเครื่องเร่งอนุภาค อื่นๆ ที่พลังงานการชนที่เพียงพอ ทฤษฎีกล่าวว่าการชนกันประเภทนี้จะสร้างพลาสมาควาร์ก-กลูออนในการชนกันของนิวเคลียร์รอบนอกที่พลังงานสูง คาดว่าจะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับการผลิตเลปตอนและเมซอนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งไม่สามารถเข้าถึงได้ในเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน-โพซิตรอนเนื่องจากความสว่างที่น้อยกว่ามาก^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

การทดลอง เร่งอนุภาคนิวเคลียร์พลังงานสูงก่อนหน้านี้ได้ศึกษาการชนกันของไอออนหนักโดยใช้พลังงานโปรเจคไทล์ตั้งแต่ 1  GeV/nucleon ที่JINRและLBNL-Bevalacไปจนถึง 158  GeV/nucleon ที่CERN-SPSการทดลองประเภทนี้เรียกว่าการทดลองแบบ "เป้าหมายคงที่" โดยหลักแล้วจะเร่งไอออน "กลุ่ม" (โดยทั่วไปประมาณ 10⁶ ^ถึง 10⁸ ^{ไอออน}ต่อกลุ่ม) ให้มีความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง (0.999 c ) แล้วชนเข้ากับเป้าหมายที่เป็นไอออนหนักชนิดเดียวกัน แม้ว่าระบบการชนกันทุกระบบจะน่าสนใจ แต่ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ได้มีการให้ความสนใจอย่างมากกับระบบการชนกันแบบสมมาตรของ ลำแสง ทองคำบนเป้าหมายทองคำที่เครื่องเร่งอนุภาคแบบสลับความชัน (AGS) ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวนและ ลำแสง ยูเรเนียมบนเป้าหมายยูเรเนียมที่ เครื่องเร่งอนุภาค ซูเปอร์โปรตอนซิง โครตรอน ของCERN

การทดลองฟิสิกส์นิวเคลียร์พลังงานสูงยังคงดำเนินต่อไปที่เครื่องเร่งอนุภาคหนักเชิงสัมพัทธ์ (RHIC) ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวน และที่ เครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ของ CERNที่ RHIC โครงการเริ่มต้นด้วยการทดลองสี่ครั้ง ได้แก่ PHENIX, STAR, PHOBOS และ BRAHMS ซึ่งทั้งหมดนี้มุ่งเน้นไปที่การศึกษาการชนกันของนิวเคลียสที่มีความเร็วสูงมาก แตกต่างจากการทดลองแบบกำหนดเป้าหมายคงที่ การทดลองด้วยเครื่องเร่งอนุภาคจะควบคุมลำแสงไอออนเร่งความเร็วสองลำให้พุ่งเข้าหากันที่ (ในกรณีของ RHIC) บริเวณปฏิสัมพันธ์หกแห่ง ที่ RHIC ไอออนสามารถเร่งความเร็วได้ (ขึ้นอยู่กับขนาดของไอออน) จาก 100 GeV/นิวคลีออน ถึง 250 GeV/นิวคลีออน เนื่องจากไอออนที่ชนกันแต่ละตัวมีพลังงานนี้และเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม พลังงานสูงสุดของการชนกันจึงสามารถบรรลุ พลังงานการชนกัน ที่จุดศูนย์กลางมวลได้ถึง 200 GeV/นิวคลีออนสำหรับทองคำ และ 500 GeV/นิวคลีออนสำหรับโปรตอน    

เครื่อง ตรวจจับ ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ที่ LHC ใน CERN มีความเชี่ยวชาญในการศึกษาการชนกันของนิวเคลียส Pb–Pb ที่พลังงานศูนย์กลางมวล 2.76  TeV ต่อคู่ของนิวคลีออน เครื่องตรวจจับหลักทั้งหมดของ LHC ได้แก่ ALICE, ATLAS , CMSและLHCbมีส่วนร่วมในโครงการไอออนหนัก^{[ 4 ]}

การสำรวจสสารแฮดรอนร้อนและการผลิตอนุภาคหลายตัวมีประวัติอันยาวนาน เริ่มต้นจากงานทางทฤษฎีเกี่ยวกับการผลิตอนุภาคหลายตัวโดยEnrico FermiในสหรัฐอเมริกาและLev Landauในสหภาพโซเวียต ความพยายามเหล่านี้ปูทางไปสู่การพัฒนาคำอธิบายเชิงความร้อนของการผลิตอนุภาคหลายตัวและ แบบจำลอง บูตสแตรปเชิงสถิติโดยRolf Hagedorn ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 การพัฒนาเหล่านี้นำไปสู่การค้นหาและการค้นพบพลาสมาควาร์ก-กลูออน [ ^{5 ] การ}เริ่มต้นของการผลิตสสารรูปแบบใหม่นี้ยังคงอยู่ภายใต้การตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง

เครื่องเร่ง อนุภาค LHCที่CERN ทำงานในโหมดการชนกันของนิวเคลียสหนึ่งเดือนต่อปี โดย นิวเคลียส ของตะกั่ว (Pb)ชนกันที่พลังงาน 2.76  TeV ต่อคู่ของนิวคลีออน ซึ่งประมาณ 1500 เท่าของพลังงานเทียบเท่ามวลนิ่ง โดยรวมแล้ว ควาร์กวาเลนซ์ 1250 ตัวจะชนกัน ทำให้เกิดซุปควาร์ก-กลูออนร้อนนิวเคลียสอะตอม หนัก ที่ปราศจากกลุ่มอิเล็กตรอนเรียกว่าไอออนหนัก และเราจะพูดถึงไอออนหนัก (อัลตร้า) สัมพัทธภาพเมื่อพลังงานจลน์สูงกว่าพลังงานนิ่ง อย่างมีนัยสำคัญ เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นใน LHC ผลลัพธ์ของการชนกันดังกล่าวคือการผลิตอนุภาค ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงจำนวนมาก

ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2555 นักวิทยาศาสตร์ ALICE ประกาศว่าการทดลองของพวกเขาสร้างพลาสมาควาร์ก-กลูออนที่มีอุณหภูมิประมาณ 5.5 ล้านล้านเคลวินซึ่งเป็นอุณหภูมิสูงสุดที่เคยทำได้ในการทดลองทางฟิสิกส์ใดๆ จนถึงปัจจุบัน^{[ 6 ]}อุณหภูมินี้สูงกว่าสถิติเดิมประมาณ 38% ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 4  ล้านล้านเคลวิน ที่ทำได้ในการทดลองเมื่อปี พ.ศ. 2553 ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวน [ ^{6 ] ผลลัพธ์}ของ ALICE ได้รับการประกาศใน การประชุม Quark Matter 2012 เมื่อวันที่ 13 สิงหาคม ที่กรุงวอชิงตัน ดี.ซี.พลาสมาควาร์ก-กลูออนที่ผลิตโดยการทดลองเหล่านี้ใกล้เคียงกับสภาวะในจักรวาลที่มีอยู่ไม่กี่ไมโครวินาทีหลังจากบิ๊กแบงก่อนที่สสารจะรวมตัวกันเป็นอะตอม^{[ 7 ]}

โครงการวิจัยนานาชาตินี้มีวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์หลายประการ:

• การก่อตัวและการศึกษาค้นคว้าสถานะใหม่ของสสารที่ประกอบด้วยควาร์กและกลูออน ซึ่งก็คือพลาสมาควาร์ก-กลูออน (QGP) ซึ่งมีอยู่ทั่วไปในเอกภพยุคแรกในช่วง 30 ไมโครวินาทีแรก
• การศึกษาเกี่ยวกับการกักขังสีและการเปลี่ยนแปลงจากการกักขังสี = สถานะสุญญากาศที่กักขังควาร์ก ไปสู่สถานะกระตุ้นที่นักฟิสิกส์เรียกว่าสุญญากาศแบบรบกวน ซึ่งควาร์กและกลูออนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิฮาเกดอร์น
• การศึกษาต้นกำเนิดของ มวลสาร แฮดรอน ( โปรตอนนิวตรอน ฯลฯ) ซึ่งเชื่อว่าเกี่ยวข้อง กับปรากฏการณ์การกักขังควาร์กและโครงสร้างสุญญากาศ

โครงการทดลองนี้ต่อยอดจากการวิจัยกว่าทศวรรษที่ เครื่องเร่งอนุภาค RHICที่BNLและการศึกษาเกือบสองทศวรรษโดยใช้เป้าหมายคงที่ที่SPSที่ CERN และAGSที่ BNL โครงการทดลองนี้ได้ยืนยันแล้วว่าสามารถเข้าถึงสภาวะสุดขั้วของสสารที่จำเป็นต่อการเข้าถึงเฟส QGP ได้ ช่วงอุณหภูมิโดยทั่วไปที่เกิดขึ้นใน QGP ที่สร้างขึ้น

$T=300 MeV/kB=3.3 × 10¹² K$

มากกว่ามากกว่าใจกลางดวงอาทิตย์ถึง 100,000เท่าซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นของพลังงาน

${\displaystyle \epsilon =10~{\text{GeV/fm}}^{3}=1.8\times 10^{16}~{\text{g/cm}}^{3}}$.

ความดันสสารสัมพัทธภาพที่สอดคล้องกันคือ

${\displaystyle P\simeq {\frac {1}{3}}\epsilon =0.52\times 10^{31}~{\text{bar}}.}$

• หน้าหลักภาควิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ มหาวิทยาลัยรัตเกอร์ส
• ผลงานตีพิมพ์ - ฟิสิกส์นิวเคลียร์พลังงานสูง (HENP)
• https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/