De leidende theorie over hoe het heelal begon is de oerknal, die zegt dat 14 miljard jaar geleden het universum bestond als een singulariteit, een eendimensionaal punt, met daarin een enorm scala aan fundamentele deeltjes. Extreem hoge hitte en energie zorgden ervoor dat het werd opgeblazen en vervolgens uitbreidde naar de kosmos zoals we die kennen - en, de uitbreiding gaat tot op de dag van vandaag door.

Het eerste resultaat van de oerknal was een intens hete en energetische vloeistof die slechts enkele microseconden bestond van ongeveer 10 miljard graden Fahrenheit (5,5 miljard Celsius). Deze vloeistof bevatte niets minder dan de bouwstenen van alle materie. Toen het universum afkoelde, de deeltjes vervielen of combineerden en gaven aanleiding tot... nou ja, alles.

Quark-gluonplasma (QGP) is de naam voor deze mysterieuze substantie, zo genoemd omdat het bestond uit quarks - de fundamentele deeltjes - en gluonen, die natuurkundige Rosi J. Reed beschrijft als 'wat quarks gebruiken om met elkaar te praten'.

Wetenschappers zoals Reed, een assistent-professor aan de afdeling Natuurkunde van de Lehigh University wiens onderzoek experimentele hoge-energiefysica omvat, kan niet terug in de tijd om te bestuderen hoe het heelal begon. Dus ze herscheppen de omstandigheden, door zware ionen te laten botsen, zoals goud, met bijna de snelheid van het licht, het genereren van een omgeving die 100 is, 000 keer heter dan het binnenste van de zon. De botsing bootst na hoe quark-gluon-plasma materie werd na de oerknal, maar omgekeerd:door de hitte smelten de protonen en neutronen van de ionen, het vrijgeven van de quarks en gluonen die erin verborgen zijn.

Er zijn momenteel slechts twee operationele versnellers in de wereld die zware ionen kunnen laten botsen - en slechts één in de VS:Brookhaven National Lab's Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Het is ongeveer drie uur rijden van Lehigh, op Longeiland, New York.

Reed maakt deel uit van de STAR-samenwerking, een internationale groep wetenschappers en ingenieurs die experimenten uitvoeren op de Solenoidal Tracker bij RHIC (STAR). De STAR-detector is enorm en bestaat eigenlijk uit vele detectoren. Het is zo groot als een huis en weegt 1, 200 ton. STAR's specialiteit is het volgen van de duizenden deeltjes geproduceerd door elke ionenbotsing bij RHIC, op zoek naar de handtekeningen van quark-gluonplasma.

"Bij het uitvoeren van experimenten zijn er twee 'knoppen' die we kunnen veranderen:de soort - zoals goud op goud of proton op proton - en de botsingsenergie, " zegt Reed. "We kunnen de ionen op verschillende manieren versnellen om een ​​verschillende energie-tot-massaverhouding te bereiken."

Met behulp van de verschillende STAR-detectoren, het team botst met ionen bij verschillende botsingsenergieën. Het doel is om het fasediagram van quark-gluonplasma in kaart te brengen, of de verschillende overgangspunten als het materiaal verandert onder variërende druk- en temperatuuromstandigheden. Het in kaart brengen van het fasediagram van quark-gluonplasma brengt ook de kernkracht in kaart, ook wel bekend als Quantum Chromodynamica (QCD), dat is de kracht die positief geladen protonen bij elkaar houdt.

"Er zijn een aantal protonen en neutronen in het centrum van een ion, " legt Reed uit. "Deze zijn positief geladen en moeten afstoten, maar er een 'sterke kracht' is die hen bij elkaar houdt? sterk genoeg om hun neiging om uit elkaar te vallen te overwinnen."

Het fasediagram van quark-gluonplasma begrijpen, en de locatie en het bestaan ​​van de faseovergang tussen het plasma en de normale materie is van fundamenteel belang, zegt Riet.

"Het is een unieke kans om te leren hoe een van de vier fundamentele natuurkrachten werkt bij een temperatuur en energiedichtheid die vergelijkbaar is met die welke slechts microseconden na de oerknal bestonden, " zegt Riet.

De RHIC-detectoren upgraden om de "sterke kracht" beter in kaart te brengen

Het STAR-team gebruikt een Beam Energy Scan (BES) om de faseovergang in kaart te brengen. Tijdens het eerste deel van het project bekend als BES-I, het team verzamelde waarneembaar bewijs met 'intrigerende resultaten'. Reed presenteerde deze resultaten op de 5e gezamenlijke bijeenkomst van de APS Division of Nuclear Physics en de Physical Society of Japan in Hawaii in oktober 2018 in een lezing getiteld:"Testing the quark-gluon plasma limits with energy and species scans at RHIC."

Echter, beperkte statistieken, aanvaarding, en een slechte resolutie van het gebeurtenisvlak maakte geen harde conclusies voor een ontdekking mogelijk. De tweede fase van het project, bekend als BES-II, gaat vooruit en omvat een verbetering waar Reed samen met STAR-teamleden aan werkt:een upgrade van de Event Plane Detector. Medewerkers zijn onder meer wetenschappers van Brookhaven en van de Ohio State University.

Het STAR-team is van plan om in 2019 en 2020 experimenten uit te voeren en gegevens te verzamelen, met behulp van de nieuwe Event Plane Detector. Volgens Riet, de nieuwe detector is ontworpen om precies te lokaliseren waar de botsing plaatsvindt en zal helpen bij het karakteriseren van de botsing, specifiek hoe "head on" het is.

"Het zal ook helpen de meetmogelijkheden van alle andere detectoren te verbeteren, " zegt Riet.

De STAR-samenwerking verwacht hun volgende experimenten bij RHIC in maart 2019 uit te voeren.