La teoría principal sobre cómo comenzó el universo es el Big Bang, que dice que hace 14 mil millones de años el universo existía como una singularidad, un punto unidimensional, con una amplia gama de partículas fundamentales contenidas en su interior. El calor y la energía extremadamente altos hicieron que se inflara y luego se expandiera hacia el cosmos tal como lo conocemos, y la expansión continúa hasta el día de hoy.

El resultado inicial del Big Bang fue un líquido intensamente caliente y enérgico que existió por meros microsegundos que rondaba los 10 mil millones de grados Fahrenheit (5.5 mil millones de grados Celsius). Este líquido contenía nada menos que los componentes básicos de toda la materia. Mientras el universo se enfriaba las partículas se descomponen o se combinan dando lugar a ... bueno, todo.

Plasma de quarks-gluones (QGP) es el nombre de esta misteriosa sustancia llamada así porque estaba formada por quarks, las partículas fundamentales, y gluones, que la física Rosi J. Reed describe como "lo que usan los quarks para hablar entre sí".

Científicos como Reed, un profesor asistente en el Departamento de Física de la Universidad de Lehigh cuya investigación incluye física experimental de altas energías, No puedo retroceder en el tiempo para estudiar cómo comenzó el Universo. Entonces recrean las circunstancias, colisionando iones pesados, como el oro, casi a la velocidad de la luz, generando un ambiente que es 100, 000 veces más caliente que el interior del sol. La colisión imita cómo el plasma de quarks y gluones se convirtió en materia después del Big Bang, pero a la inversa:el calor derrite los protones y neutrones de los iones, liberando los quarks y gluones ocultos en su interior.

Actualmente, solo hay dos aceleradores operativos en el mundo capaces de colisionar iones pesados, y solo uno en los EE. UU.:El colisionador relativista de iones pesados ​​(RHIC) del Brookhaven National Lab. Está a unas tres horas en coche de Lehigh, en Long Island, Nueva York.

Reed es parte de STAR Collaboration, un grupo internacional de científicos e ingenieros que realizan experimentos en el Rastreador Solenoidal en RHIC (STAR). El detector STAR es enorme y en realidad está compuesto por muchos detectores. Es tan grande como una casa y pesa 1, 200 toneladas. La especialidad de STAR es rastrear las miles de partículas producidas por cada colisión de iones en RHIC en busca de las firmas del plasma de quark-gluón.

"Cuando realizamos experimentos, hay dos 'botones' que podemos cambiar:la especie, como oro sobre oro o protón sobre protón, y la energía de colisión, ", dice Reed." Podemos acelerar los iones de manera diferente para lograr una relación de energía a masa diferente ".

Utilizando los distintos detectores STAR, el equipo choca iones con diferentes energías de colisión. El objetivo es mapear el diagrama de fase del plasma de quark-gluón, o los diferentes puntos de transición a medida que el material cambia bajo diferentes condiciones de presión y temperatura. El mapeo del diagrama de fase del plasma de quark-gluón también está mapeando la fuerza nuclear fuerte, también conocida como cromodinámica cuántica (QCD), que es la fuerza que mantiene unidos a los protones cargados positivamente.

"Hay un montón de protones y neutrones en el centro de un ion, "explica Reed." Estos están cargados positivamente y deberían repeler, pero hay una 'fuerza fuerte' que los mantiene unidos? lo suficientemente fuerte como para superar su tendencia a separarse ".

Comprender el diagrama de fase del plasma de quark-gluón, y la ubicación y existencia de la transición de fase entre el plasma y la materia normal es de fundamental importancia, dice Reed.

"Es una oportunidad única para aprender cómo una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza opera a temperaturas y densidades de energía similares a las que existían solo microsegundos después del Big Bang, "dice Reed.

Actualización de los detectores RHIC para mapear mejor la "fuerza fuerte"

El equipo STAR utiliza un Beam Energy Scan (BES) para hacer el mapeo de transición de fase. Durante la primera parte del proyecto, conocido como BES-I, el equipo recopiló evidencia observable con "resultados intrigantes". Reed presentó estos resultados en la quinta reunión conjunta de la División de Física Nuclear de APS y la Sociedad de Física de Japón en Hawai en octubre de 2018 en una charla titulada:"Prueba de los límites de plasma de quark-gluón con escaneos de energía y especies en RHIC".

Sin embargo, estadísticas limitadas, aceptación, y la mala resolución del plano de eventos no permitió conclusiones firmes para un descubrimiento. La segunda fase del proyecto, conocido como BES-II, avanza e incluye una mejora en la que Reed está trabajando con los miembros del equipo STAR:una actualización del detector de plano de eventos. Los colaboradores incluyen científicos de Brookhaven y de la Universidad Estatal de Ohio.

El equipo STAR planea continuar realizando experimentos y recolectando datos en 2019 y 2020, utilizando el nuevo detector de plano de eventos. Según Reed, el nuevo detector está diseñado para ubicar con precisión dónde ocurre la colisión y ayudará a caracterizar la colisión, específicamente qué tan "frontal" es.

"También ayudará a mejorar las capacidades de medición de todos los demás detectores, "dice Reed.

La colaboración STAR espera ejecutar sus próximos experimentos en RHIC en marzo de 2019.