Big Bang-forespørgsel:Kortlægning af, hvordan en mystisk væske blev til alt stof

Den førende teori om, hvordan universet begyndte, er Big Bang, som siger, at universet for 14 milliarder år siden eksisterede som en singularitet, et endimensionalt punkt, med en lang række grundlæggende partikler indeholdt i den. Ekstremt høj varme og energi fik det til at blæse op og derefter ekspandere ind i kosmos, som vi kender det - og, ekspansionen fortsætter den dag i dag.

Det første resultat af Big Bang var en intens varm og energisk væske, der eksisterede i blot mikrosekunder, der var omkring 10 milliarder grader Fahrenheit (5,5 milliarder Celsius). Denne væske indeholdt intet mindre end byggestenene i alt stof. Da universet afkølede, partiklerne henfaldt eller kombinerede, hvilket gav anledning til... ja, alt.

Quark-gluon plasma (QGP) er navnet på dette mystiske stof, såkaldt, fordi det bestod af kvarker – de fundamentale partikler – og gluoner, som fysiker Rosi J. Reed beskriver som "hvad kvarker bruger til at tale med hinanden."

Forskere som Reed, en adjunkt i Lehigh University's Department of Physics, hvis forskning omfatter eksperimentel højenergifysik, kan ikke gå tilbage i tiden for at studere, hvordan universet begyndte. Så de genskaber omstændighederne, ved at kollidere med tunge ioner, såsom guld, ved næsten lysets hastighed, generere et miljø, der er 100, 000 gange varmere end solens indre. Kollisionen efterligner, hvordan kvark-gluonplasma blev til stof efter Big Bang, men omvendt:varmen smelter ionernes protoner og neutroner, frigiver kvarker og gluoner gemt inde i dem.

Der er i øjeblikket kun to operationelle acceleratorer i verden, der er i stand til at kollidere tunge ioner - og kun en i USA:Brookhaven National Labs Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Det er omkring en tre timers kørsel fra Lehigh, på Long Island, New York.

Reed er en del af STAR Collaboration, en international gruppe af forskere og ingeniører, der kører eksperimenter på Solenoidal Tracker på RHIC (STAR). STAR -detektoren er massiv og består faktisk af mange detektorer. Det er så stort som et hus og vejer 1, 200 tons. STAR's speciale er at spore tusinder af partikler produceret ved hvert ionkollision ved RHIC på jagt efter signaturerne af kvark-gluonplasma.

"Når vi kører eksperimenter, er der to 'knapper', vi kan ændre:arten - såsom guld på guld eller proton på proton - og kollisionsenergien, " siger Reed. "Vi kan accelerere ionerne forskelligt for at opnå forskellige energi-til-masse-forhold."

Ved hjælp af de forskellige STAR -detektorer, holdet kolliderer ioner ved forskellige kollisionsenergier. Målet er at kortlægge kvark-gluon plasmas fasediagram, eller de forskellige overgangspunkter, når materialet ændrer sig under varierende tryk- og temperaturforhold. Kortlægning af kvark-gluonplasmas fasediagram kortlægger også den nukleare stærke kraft, ellers kendt som Quantum Chromodynamics (QCD), som er den kraft, der holder positivt ladede protoner sammen.

"Der er en flok protoner og neutroner i midten af ​​en ion, "forklarer Reed." Disse er positivt ladede og bør frastøde, men er der en 'stærk kraft', der holder dem sammen? stærke nok til at overvinde deres tendens til at gå fra hinanden."

Forståelse af kvark-gluonplasmas fasediagram, og placeringen og eksistensen af ​​faseovergangen mellem plasmaet og det normale stof er af fundamental betydning, siger Reed.

"Det er en unik mulighed for at lære, hvordan en af ​​de fire grundlæggende naturkræfter fungerer ved temperatur og energitæthed, der ligner dem, der kun eksisterede mikrosekunder efter Big Bang, " siger Reed.

Opgradering af RHIC -detektorerne for bedre at kortlægge den "stærke kraft"

STAR-teamet bruger en Beam Energy Scan (BES) til at lave faseovergangskortlægningen. I løbet af projektets første del, kendt som BES-I, holdet indsamlede observerbare beviser med "spændende resultater". Reed præsenterede disse resultater på det 5. fælles møde i APS Division of Nuclear Physics og Physical Society of Japan på Hawaii i oktober 2018 i en tale med titlen:"Testning af kvark-gluon-plasmagrænser med energi og artsscanninger ved RHIC."

Imidlertid, begrænset statistik, accept, og dårlig opløsning af hændelsesfly tillod ikke sikre konklusioner for en opdagelse. Projektets anden fase, kendt som BES-II, går fremad og inkluderer en forbedring, som Reed arbejder på med STAR-teammedlemmer:en opgradering af Event Plane Detector. Samarbejdspartnere omfatter forskere ved Brookhaven såvel som ved Ohio State University.

STAR -teamet planlægger at fortsætte med at køre eksperimenter og indsamle data i 2019 og 2020, ved hjælp af den nye Event Plane Detector. Ifølge Reed, den nye detektor er designet til præcist at lokalisere, hvor kollisionen finder sted og vil hjælpe med at karakterisere kollisionen, specifikt hvor "head on" det er.

"Det vil også bidrage til at forbedre målefunktionerne for alle de andre detektorer, "siger Reed.

STAR -samarbejdet forventer at køre deres næste forsøg på RHIC i marts 2019.