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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.
Due nuclei di ossigeno, ciascuno formato da otto protoni e otto neutroni, si scontrano quasi alla velocità della luce all'interno del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory, negli Stati Uniti. L'urto spezza i nuclei e libera i loro protoni e neutroni nei quark e gluoni di cui sono fatti. Il risultato è il plasma quark-gluone (QGP), la materia esistita durante i primi microsecondi dopo il Big Bang, e uno strumento per capire come si sono formati per la prima volta protoni, neutroni e atomi.
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.
Il plasma dura troppo poco per essere osservato direttamente, anche al RHIC o al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. I fisici studiano quindi le particelle che escono da ogni collisione, registrate da rivelatori come STAR, il Solenoidal Tracker del RHIC. L'indizio principale è lo jet quenching. I getti energetici di particelle perdono energia mentre attraversano la materia calda e densa che resta dopo la collisione, e questa perdita è considerata una firma del QGP. Lo studio del plasma aiuta anche ad affrontare altre questioni, come i limiti della stabilità nucleare e la ricerca di particelle esotiche come le particelle X. «Uno dei modi più efficaci con cui gli scienziati studiano il QGP è individuare dove compaiono le sue firme e, altrettanto importante, dove queste firme si spengono», ha dichiarato Li Yi, professore di fisica all'Università dello Shandong, coinvolto nel lavoro.
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.
L'oro era il riferimento. I nuclei d'oro, con 78 protoni e 118 neutroni, mostravano lo jet quenching, e le loro particelle a bassa energia si muovevano insieme come un liquido perfetto, senza alcuna resistenza. Il team del RHIC voleva sapere se un sistema molto più leggero avrebbe prodotto la stessa firma. Le sue collisioni ossigeno-ossigeno, condotte a 200 GeV (200 miliardi di elettronvolt) al RHIC nel 2021, hanno mostrato una soppressione del 20% delle particelle ad alta energia dovuta allo jet quenching. È un valore inferiore a quelli dell'oro e del piombo, ma i ricercatori affermano che resta una prova della formazione del QGP. Anche i ricercatori del CERN hanno studiato le collisioni ossigeno-ossigeno, il che consente alle due squadre di confrontare i propri risultati.
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, fisica dello STAR al Brookhaven National Laboratory, ha descritto l'obiettivo: «Stiamo spingendo i limiti in due direzioni per esplorare le condizioni minime necessarie a creare un QGP, sia in termini di dimensione del nucleo, osservando queste piccole collisioni ossigeno-ossigeno, sia guardando i dati di energie di collisione più basse, e continuiamo a vedere questa firma cruciale 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.
Per ora il guadagno riguarda la fisica e non un dispositivo. I teorici che studiano l'universo primordiale e la stabilità nucleare ottengono un punto di riferimento più piccolo e più semplice delle collisioni dell'oro, e gli sperimentatori possono confrontare i propri risultati con quelli del CERN. Le collisioni mostrano anche quanto a lungo la firma sopravvive quando il sistema si riduce, ed è il confine che il team voleva individuare. Non è stata indicata una data per i prossimi risultati. Il nuovo rivelatore sPHENIX, ora parte dell'impianto del RHIC, dovrebbe portare alla luce molto altro nei prossimi tempi.