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Two oxygen nuclei, each made of eight protons and eight neutrons, hit each other at nearly the speed of light inside the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at Brookhaven National Laboratory, in the United States. The impact breaks the nuclei apart and frees their protons and neutrons into the quarks and gluons they are made of. The result is quark-gluon plasma (QGP), the matter that existed during the first few microseconds after the Big Bang, and a tool for working out how protons, neutrons and atoms were first formed.
Dos núcleos de oxígeno, formados cada uno por ocho protones y ocho neutrones, chocan entre sí a casi la velocidad de la luz dentro del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Estados Unidos. El impacto rompe los núcleos y libera sus protones y neutrones en los quarks y gluones que los componen. El resultado es el plasma de quarks y gluones (QGP), la materia que existió durante los primeros microsegundos después del Big Bang, y una herramienta para entender cómo se formaron por primera vez los protones, los neutrones y los átomos.
The plasma is too short-lived to be watched directly, even at RHIC or at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Physicists therefore study the particles that fly out of each collision, recorded by detectors such as STAR, the Solenoidal Tracker at RHIC. The main clue is jet quenching. Energetic sprays of particles lose energy as they travel through the hot, dense matter left after the nuclei collide, and that loss is considered a signature of QGP. Studying the plasma also helps with other questions, such as the limits of nuclear stability and the search for exotic particles like X-particles. "One of the most powerful ways scientists study the QGP is by identifying where its signatures appear — and just as importantly, where these signatures turn off," said Li Yi, a professor of physics at Shandong University involved in the work.
El plasma dura demasiado poco como para observarlo directamente, ni siquiera en el RHIC ni en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Por eso, los físicos estudian las partículas que salen disparadas de cada colisión, registradas por detectores como STAR, el Solenoidal Tracker at RHIC. La principal pista es el apagado de chorros (jet quenching). Los chorros energéticos de partículas pierden energía al atravesar la materia caliente y densa que queda tras el choque de los núcleos, y esa pérdida se considera una firma del QGP. El estudio del plasma también ayuda con otras cuestiones, como los límites de la estabilidad nuclear o la búsqueda de partículas exóticas como las partículas X. «Una de las formas más poderosas en que los científicos estudian el QGP es identificar dónde aparecen sus firmas y, igual de importante, dónde desaparecen», afirmó Li Yi, profesor de física de la Universidad de Shandong que participa en el trabajo.
Gold was the benchmark. Gold nuclei, with 78 protons and 118 neutrons, showed jet quenching, and their lower-energy particles moved together like a perfect liquid with no resistance. The RHIC team wanted to know whether a much lighter system would produce the same signature. Its oxygen-oxygen collisions, run at 200 GeV (200 billion electron volts) at RHIC in 2021, showed 20 percent suppression of high-energy particles from jet quenching. That is lower than the figures for gold and lead, but the researchers say it is still proof that QGP formed. Researchers at CERN have also studied oxygen-oxygen collisions, which lets the two teams compare their findings.
El oro era la referencia. Los núcleos de oro, con 78 protones y 118 neutrones, mostraron apagado de chorros, y sus partículas de menor energía se movían en conjunto como un líquido perfecto, sin resistencia. El equipo del RHIC quería saber si un sistema mucho más ligero produciría la misma firma. Sus colisiones oxígeno-oxígeno, realizadas a 200 GeV (200.000 millones de electronvoltios) en el RHIC en 2021, mostraron una supresión del 20 % de las partículas de alta energía por apagado de chorros. Es una cifra inferior a las del oro y el plomo, pero los investigadores afirman que sigue siendo una prueba de que se formó el QGP. Los investigadores del CERN también han estudiado colisiones oxígeno-oxígeno, lo que permite a los dos equipos comparar sus resultados.
Rongrong Ma, a STAR physicist at Brookhaven National Laboratory, described the goal: "We are pushing the boundaries in two ways to explore the minimal conditions for creating a QGP, both in terms of the nucleus size by looking at these small oxygen-oxygen collisions, but also by looking at data from lower collision energies — and we still see this crucial QGP signature."
Rongrong Ma, física del STAR en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, describió el objetivo: «Estamos ampliando los límites de dos maneras para explorar las condiciones mínimas para crear un QGP, tanto en lo que respecta al tamaño del núcleo, al observar estas pequeñas colisiones oxígeno-oxígeno, como al analizar datos de energías de colisión más bajas, y seguimos viendo esta firma crucial del QGP».
For now, the gain is for physics rather than for any device. Theorists who study the early universe and nuclear stability get a smaller, simpler reference point than gold collisions, and experimenters can check their results against CERN's. The collisions also show how far the signature survives as the system shrinks, which is the boundary the team set out to find. No date is given for the next findings. The new sPHENIX detector, now part of RHIC's setup, should bring much more to light in the coming period.
De momento, la ganancia es para la física y no para ningún dispositivo. Los teóricos que estudian el universo primitivo y la estabilidad nuclear disponen de un punto de referencia más pequeño y sencillo que las colisiones de oro, y los experimentadores pueden contrastar sus resultados con los del CERN. Las colisiones también muestran hasta dónde sobrevive la firma a medida que el sistema se reduce, que es el límite que el equipo se propuso encontrar. No se ha dado ninguna fecha para los próximos hallazgos. El nuevo detector sPHENIX, ahora parte de la instalación del RHIC, debería aportar mucho más en los próximos meses.