A principal teoria sobre como o universo começou é o Big Bang, que diz que 14 bilhões de anos atrás, o universo existia como uma singularidade, um ponto unidimensional, com uma vasta gama de partículas fundamentais contidas nele. O calor e a energia extremamente altos fizeram com que ele inflasse e depois se expandisse no cosmos como o conhecemos - e, a expansão continua até hoje.

O resultado inicial do Big Bang foi um líquido intensamente quente e cheio de energia que existiu por meros microssegundos e girou em torno de 10 bilhões de graus Fahrenheit (5,5 bilhões de Celsius). Este líquido continha nada menos do que os blocos de construção de toda a matéria. Enquanto o universo esfriava, as partículas decaíram ou combinaram dando origem a ... bem, tudo.

Plasma de quark-gluon (QGP) é o nome dessa substância misteriosa assim chamada porque era composta de quarks - as partículas fundamentais - e glúons, que a física Rosi J. Reed descreve como "o que quarks usam para falar uns com os outros."

Cientistas como Reed, um professor assistente no Departamento de Física da Universidade de Lehigh, cuja pesquisa inclui física experimental de alta energia, não posso voltar no tempo para estudar como o Universo começou. Então, eles recriam as circunstâncias, colidindo íons pesados, como ouro, quase à velocidade da luz, gerando um ambiente que é 100, 000 vezes mais quente que o interior do sol. A colisão simula como o plasma quark-gluon se tornou matéria após o Big Bang, mas ao contrário:o calor derrete os prótons e nêutrons dos íons, liberando os quarks e glúons escondidos dentro deles.

Atualmente, existem apenas dois aceleradores operacionais no mundo capazes de colidir íons pesados ​​- e apenas um nos EUA:Colisor de íons pesados ​​relativísticos (RHIC) do Laboratório Nacional de Brookhaven. Fica a cerca de três horas de carro de Lehigh, em Long Island, Nova york.

Reed faz parte da Colaboração STAR, um grupo internacional de cientistas e engenheiros executando experimentos no Solenoidal Tracker no RHIC (STAR). O detector STAR é enorme e, na verdade, composto de muitos detectores. É tão grande quanto uma casa e pesa 1, 200 toneladas. A especialidade do STAR é rastrear as milhares de partículas produzidas por cada colisão de íons no RHIC em busca das assinaturas do plasma quark-gluon.

"Ao realizar experimentos, há dois 'botões' que podemos mudar:a espécie - como ouro em ouro ou próton em próton - e a energia de colisão, "diz Reed." Podemos acelerar os íons de forma diferente para atingir uma relação energia / massa diferente. "

Usando os vários detectores STAR, a equipe colide íons em diferentes energias de colisão. O objetivo é mapear o diagrama de fase do plasma quark-gluon, ou os diferentes pontos de transição à medida que o material muda sob condições variáveis ​​de pressão e temperatura. Mapear o diagrama de fase do plasma quark-gluon também é mapear a força nuclear forte, também conhecido como Cromodinâmica Quântica (QCD), que é a força que mantém os prótons carregados positivamente juntos.

"Há um monte de prótons e nêutrons no centro de um íon, "explica Reed." Estes são carregados positivamente e devem repelir, mas há uma 'força forte' que os mantém juntos? forte o suficiente para superar sua tendência de se separar. "

Compreendendo o diagrama de fase do plasma quark-gluon, e a localização e existência da transição de fase entre o plasma e a matéria normal é de fundamental importância, disse Reed.

"É uma oportunidade única de aprender como uma das quatro forças fundamentais da natureza opera em temperaturas e densidades de energia semelhantes às que existiam apenas microssegundos após o Big Bang, "diz Reed.

Atualizando os detectores RHIC para mapear melhor a "força forte"

A equipe STAR usa um Beam Energy Scan (BES) para fazer o mapeamento de transição de fase. Durante a primeira parte do projeto, conhecido como BES-I, a equipe coletou evidências observáveis ​​com "resultados intrigantes". Reed apresentou esses resultados na 5ª Reunião Conjunta da Divisão APS de Física Nuclear e da Sociedade Física do Japão no Havaí em outubro de 2018 em uma palestra intitulada:"Testando os limites do plasma quark-gluon com varreduras de energia e espécies no RHIC."

Contudo, estatísticas limitadas, aceitação, e a resolução pobre do plano de eventos não permitiu conclusões firmes para uma descoberta. A segunda fase do projeto, conhecido como BES-II, está indo em frente e inclui uma melhoria na qual Reed está trabalhando com os membros da equipe STAR:uma atualização do Detector de Plano de Evento. Os colaboradores incluem cientistas de Brookhaven e da Ohio State University.

A equipe STAR planeja continuar realizando experimentos e coletar dados em 2019 e 2020, usando o novo Detector de Plano de Evento. De acordo com Reed, o novo detector é projetado para localizar precisamente onde a colisão acontece e ajudará a caracterizar a colisão, especificamente como é "frontal".

"Também ajudará a melhorar as capacidades de medição de todos os outros detectores, "diz Reed.

A colaboração da STAR espera realizar seus próximos experimentos no RHIC em março de 2019.