Un nuevo y poderoso detector de partículas acaba de pasar una prueba crítica en su objetivo de descifrar los ingredientes del universo primitivo.

El detector sPHENIX es el experimento más reciente del Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven y está diseñado para medir con precisión los productos de las colisiones de partículas a alta velocidad. Tras el experimento, los científicos esperan reconstruir las propiedades del plasma de quarks y gluones (QGP), una mezcla incandescente de partículas subatómicas conocidas como quarks y gluones que se cree que surgió en los pocos microsegundos posteriores al Big Bang. Con la misma rapidez, el misterioso plasma desapareció, enfriándose y combinándose para formar los protones y neutrones que componen la materia ordinaria actual.

Ahora, el detector sPHENIX ha realizado una medición clave que demuestra que tiene la precisión necesaria para ayudar a reconstruir las propiedades primordiales del plasma de quarks y gluones.

En un artículo publicado en el Journal of High Energy Physics, científicos, incluidos físicos del MIT, informan que sPHENIX midió con precisión la cantidad y la energía de las partículas que fluyeron de los iones de oro que colisionaron a una velocidad cercana a la de la luz.

Todo derecho

En física, esta prueba se considera una “vela estándar”, lo que significa que la medición es una constante bien establecida que se puede utilizar para medir la precisión de un detector.

En particular, sPHENIX midió con éxito la cantidad de partículas cargadas que se producen al colisionar dos iones de oro y determinó cómo cambia esta cantidad cuando los iones chocan de frente, en comparación con una colisión indirecta. Las mediciones del detector revelaron que las colisiones frontales produjeron diez veces más partículas cargadas, que también fueron diez veces más energéticas, en comparación con colisiones menos directas.

“Esto indica que el detector funciona como debería”, afirma Gunther Roland, profesor de física del MIT, miembro y exportavoz de la Colaboración sPHENIX. “Es como si se enviara un nuevo telescopio al espacio después de 10 años de construcción y este tomara la primera fotografía. No es necesariamente una imagen de algo completamente nuevo, pero demuestra que ya está listo para empezar a hacer ciencia nueva”.

“Con esta sólida base, sPHENIX está bien posicionado para avanzar en el estudio del plasma de quarks y gluones con mayor precisión y mejor resolución”, añade Hao-Ren Jheng, estudiante de posgrado en física del MIT y coautor principal del nuevo artículo. “Investigar la evolución, la estructura y las propiedades del plasma de quarks y gluones nos ayudará a reconstruir las condiciones del universo primitivo”.

Los coautores del artículo son todos miembros de la Colaboración sPHENIX, que incluye a más de 300 científicos de múltiples instituciones de todo el mundo, incluidos Roland, Jheng y físicos del Centro de Investigación e Ingeniería Bates del MIT.

“Se fue en un instante”

Los colisionadores de partículas, como el RHIC de Brookhaven, están diseñados para acelerar partículas a velocidades relativistas, es decir, cercanas a la velocidad de la luz. Cuando estas partículas se lanzan en haces circulares opuestos y se vuelven a unir, cualquier choque que se produzca puede liberar una enorme cantidad de energía. En las condiciones adecuadas, esta energía puede existir brevemente en forma de plasma de quarks y gluones, el mismo material que surgió del Big Bang.

Al igual que en el universo primitivo, el plasma de quarks y gluones no permanece mucho tiempo en los colisionadores de partículas. Si se produce QGP, existe solo durante 10 elevado a -22, o aproximadamente una sextillonésima de segundo. En ese momento, el plasma de quarks y gluones está increíblemente caliente, hasta varios billones de grados Celsius, y se comporta como un fluido perfecto, moviéndose como una sola entidad en lugar de como un conjunto de partículas aleatorias. Casi de inmediato, este comportamiento inusual desaparece, y el plasma se enfría y se transforma en partículas más comunes, como protones y neutrones, que emanan de la colisión principal.

“Nunca se ve el QGP en sí; solo se ven sus cenizas, por así decirlo, en forma de partículas resultantes de su descomposición”, dice Roland. “Con sPHENIX, queremos medir estas partículas para reconstruir las propiedades del QGP, que prácticamente desaparece en un instante”.

“Uno entre mil millones”

El detector sPHENIX es la nueva generación del Experimento Pionero de Interacción Nuclear de Alta Energía (PHENIX) original de Brookhaven, que medía las colisiones de iones pesados ​​generadas por el RHIC. En 2021, sPHENIX se instaló en sustitución de su predecesor, como una versión más rápida y potente, diseñada para detectar las firmas más sutiles y efímeras del plasma de quarks y gluones.

El detector tiene aproximadamente el tamaño de una casa de dos pisos y pesa alrededor de 1000 toneladas. Se ubica en la intersección de los dos haces principales del colisionador del RHIC, donde partículas relativistas, aceleradas desde direcciones opuestas, se encuentran y colisionan, produciendo partículas que salen disparadas hacia el detector. El detector sPHENIX es capaz de capturar y medir 15 000 colisiones de partículas por segundo gracias a sus novedosos componentes en capas, incluyendo el MVTX (microvértice), un subdetector diseñado, construido e instalado por científicos del Centro de Investigación e Ingeniería Bates del MIT.

En conjunto, los sistemas del detector permiten que sPHENIX actúe como una cámara 3D gigante que puede rastrear la cantidad, la energía y las trayectorias de partículas individuales durante una explosión de partículas generada por una sola colisión.

“SPHENIX aprovecha los avances en tecnología de detectores desde la puesta en marcha del RHIC hace 25 años para recopilar datos a la mayor velocidad posible”, afirma Cameron Dean, investigador posdoctoral del MIT y uno de los principales contribuyentes al análisis del nuevo estudio. “Esto nos permite investigar procesos increíblemente raros por primera vez”.

En otoño de 2024, los científicos sometieron el detector a la prueba de la "vela estándar" para evaluar su velocidad y precisión. Durante tres semanas, recopilaron datos de sPHENIX mientras el colisionador principal aceleraba y colisionaba haces de iones de oro que viajaban a la velocidad de la luz. Su análisis de los datos demostró que sPHENIX midió con precisión la cantidad de partículas cargadas producidas en colisiones individuales de iones de oro, así como sus energías. Además, el detector era sensible a la "frontalidad" de una colisión y pudo observar que las colisiones frontales producían más partículas con mayor energía, en comparación con las colisiones menos directas.

"Esta medición proporciona una evidencia clara de que el detector está funcionando según lo previsto", afirma Jheng.

“La diversión para sPHENIX apenas comienza”, añade Dean. “Actualmente estamos volviendo a colisionar partículas y esperamos seguir haciéndolo durante varios meses más. Con todos nuestros datos, podemos buscar el proceso excepcional, uno entre mil millones, que podría brindarnos información sobre aspectos como la densidad de QGP, la difusión de partículas a través de materia ultradensa y la energía necesaria para unir diferentes partículas”.

Este trabajo fue apoyado, en parte, por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias.

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