Ведущая теория о том, как возникла Вселенная, — это «Большой взрыв», в котором говорится, что 14 миллиардов лет назад Вселенная существовала как единичная точка, одномерная точка, в которой содержался огромный массив фундаментальных частиц. Чрезвычайно высокая температура и энергия заставили его раздуваться и затем расширяться в космос, поскольку мы знаем это, и расширение продолжается по сей день.

Первоначальным результатом Большого взрыва была очень горячая и энергичная жидкость, которая существовала в течение простых микросекунд, что составляло около 10 миллиардов градусов по Фаренгейту (5,5 миллиардов по Цельсию). Эта жидкость содержала не что иное, как строительные блоки всей материи. Когда Вселенная остыла, частицы распались или объединились, породив … ну, все.

Кварк-глюонная плазма (QGP) — название этой загадочной субстанции, названной так потому, что она состояла из кварков — фундаментальных частиц — и глюонов, которые физик Рози Дж. Рид описывает как «то, что кварки используют для общения друг с другом».

Такие ученые, как Рид, доцент кафедры физики Университета Лихай, чьи исследования включают экспериментальную физику высоких энергий, не могут вернуться назад во времени, чтобы изучить, как началась Вселенная. Таким образом, они воссоздают обстоятельства, сталкивая тяжелые ионы , такие как золото, почти со скоростью света, создавая среду, которая в 100 000 раз горячее, чем внутреннее пространство Солнца. Столкновение имитирует, как кварк-глюонная плазма стала веществом после Большого взрыва, но в обратном направлении: тепло расплавляет протоны и нейтроны ионов, освобождая кварки и глюоны, спрятанные внутри них.

В настоящее время в мире существует только два действующих ускорителя, способных сталкиваться с тяжелыми ионами, и только один в США: релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Национальной лаборатории Брукхейвена (RHIC). Это примерно в трех часах езды от Лихай, в Лонг-Айленде, Нью-Йорк.

Рид является частью STAR Collaboration , международной группы ученых и инженеров, проводящих эксперименты на соленоидном трекере в RHIC (STAR) . Детектор STAR массивный и состоит из множества детекторов. Он размером с дом и весит 1200 тонн. Специализация STAR — отслеживание тысяч частиц, образующихся при каждом столкновении ионов на RHIC, в поисках сигнатур кварк-глюонной плазмы.

«При проведении экспериментов мы можем изменить две« ручки »: виды — например, золото на золоте или протон на протоне — и энергию столкновения», — говорит Рид. «Мы можем по-разному ускорять ионы, чтобы достичь различного отношения энергии к массе».

Используя различные детекторы STAR, команда сталкивается с ионами при разных энергиях столкновения. Цель состоит в том, чтобы отобразить фазовую диаграмму кварк-глюонной плазмы или различные точки перехода при изменении материала при различных условиях давления и температуры. Картирование фазовой диаграммы кварк-глюонной плазмы также отображает сильную ядерную силу, также известную как Квантовая хромодинамика (КХД), которая является силой, которая удерживает вместе положительно заряженные протоны.

«В центре иона находится пучок протонов и нейтронов», — объясняет Рид. «Они заряжены положительно и должны дать отпор, но есть« сильная сила », которая удерживает их вместе — достаточно сильная, чтобы преодолеть их склонность к распаду».
По словам Рида, фундаментальное значение имеет понимание фазовой диаграммы кварк-глюонной плазмы, а также места и существования фазового перехода между плазмой и нормальной материей.

«Это уникальная возможность узнать, как одна из четырех фундаментальных сил природы работает при температуре и плотности энергии, аналогичных тем, которые существовали всего лишь в микросекундах после Большого взрыва», — говорит Рид.

Модернизация детекторов RHIC, чтобы лучше отобразить «сильную силу»

Команда STAR использует сканирование энергии пучка (BES) для картирования фазовых переходов. Во время первой части проекта, известного как BES-I, команда собрала наблюдаемые доказательства с «интригующими результатами». Рид представил эти результаты на 5-м Совместном совещании Отдела ядерной физики APS и Физического общества Японии на Гавайях в октябре 2018 года в выступлении под названием: «Проверка пределов кварк-глюонной плазмы с помощью сканирования энергии и видов на RHIC».

Тем не менее, ограниченные статистические данные, принятие и плохое разрешение плоскости событий не позволяли сделать твердые выводы для открытия. Вторая фаза проекта, известная как BES-II, продвигается вперед и включает в себя усовершенствование, над которым Рид работает с членами команды STAR: обновление детектора плана событий. Соавторы включают ученых в Брукхейвене, а также в Университете штата Огайо.

Команда STAR планирует продолжить проведение экспериментов и сбор данных в 2019 и 2020 годах, используя новый детектор плана событий. По словам Рида, новый детектор предназначен для точного определения места, где происходит столкновение, и поможет охарактеризовать столкновение, в частности, насколько оно «лобовое».

«Это также поможет улучшить измерительные возможности всех других детекторов», — говорит Рид.

Ожидается, что коллаборация STAR проведет свои следующие эксперименты в RHIC в марте 2019 года.