W sercu Brookhaven National Laboratory, kolosalny detektor cząstek o nazwie sPHENIX pomyślnie przeszedł kluczowy test, potwierdzając swoją gotowość do zajrzenia w najwcześniejsze momenty istnienia naszego wszechświata. Ten technologiczny gigant, wielkości dwupiętrowego budynku i ważący około 1000 ton, został zaprojektowany w jednym celu: do badania tajemniczego stanu materii znanego jako plazma kwarkowo-gluonowa (QGP), która, jak się uważa, wypełniała wszechświat w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu.

Ten udany test, opisany jako weryfikacja za pomocą "standardowej świecy", stanowi kamień milowy dla całej współpracy naukowej, która zrzesza ponad 300 naukowców z całego świata. Potwierdzono, że sPHENIX działa zgodnie z najwyższymi specyfikacjami i jest teraz gotowy do rozpoczęcia swojej głównej misji – odkrywania tajemnic materii w jej najbardziej fundamentalnej i ekstremalnej postaci.

Pierwotna zupa: Zanurzenie w plazmie kwarkowo-gluonowej

Aby zrozumieć znaczenie detektora sPHENIX, musimy cofnąć się o prawie 13,8 miliarda lat, do chwili tuż po Wielkim Wybuchu. W tym nieskończenie krótkim oknie czasowym wszechświat był niewyobrażalnie gorący i gęsty. Temperatury sięgały kilku bilionów stopni Celsjusza, co jest zbyt gorące, aby mogły powstać stabilne cząstki, takie jak protony i neutrony, które dziś tworzą jądra atomów.

Zamiast tego wszechświat był wypełniony gorącą, gęstą "zupą" cząstek fundamentalnych – kwarków i gluonów – które poruszały się swobodnie. Ten stan materii nazywamy plazmą kwarkowo-gluonową. Kwarki są podstawowymi budulcami protonów i neutronów, podczas gdy gluony są cząstkami przenoszącymi silne oddziaływanie jądrowe, siłę, która "skleja" kwarki. W warunkach QGP to wiązanie zostało zerwane, a cząstki zostały uwolnione.

Jednak ten egzotyczny stan był niezwykle krótkotrwały. W miarę rozszerzania się i ochładzania wszechświata, kwarki i gluony niemal natychmiast, w ciągu około 10^-22 sekundy (jednej setnej tryliardowej części sekundy), połączyły się w protony i neutrony, tworząc w ten sposób materię, jaką znamy dzisiaj. Naukowcy nigdy nie mogą bezpośrednio obserwować QGP; znika ona w mgnieniu oka. Zamiast tego badają "popioły" – cząstki wylatujące z jej rozpadu – aby zrekonstruować jej właściwości. Jednym z najbardziej fascynujących odkryć jest to, że QGP zachowuje się jak "idealna ciecz", co oznacza, że płynie prawie bez żadnego tarcia czy lepkości, jak jednolity byt, a nie jak chaotyczny gaz cząstek, jak początkowo sądzono.

Gigantyczna kamera 3D na pierwsze chwile wszechświata

Aby odtworzyć warunki podobne do tych po Wielkim Wybuchu, naukowcy używają potężnych akceleratorów cząstek. W Brookhaven National Laboratory znajduje się jedno z najważniejszych tego typu urządzeń na świecie: Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów (RHIC). RHIC to okrągły akcelerator o obwodzie 3,8 kilometra, który przyspiesza ciężkie jony, takie jak jądra atomów złota, do prędkości bliskich prędkości światła.

Te wiązki jonów krążą w przeciwnych kierunkach wewnątrz akceleratora, a w określonych punktach ich tory się przecinają. W jednym z tych punktów przecięcia znajduje się detektor sPHENIX. Gdy jony złota zderzają się z tak ogromnymi prędkościami, uwalniana jest olbrzymia ilość energii, która na ułamek sekundy tworzy maleńką kroplę plazmy kwarkowo-gluonowej. Ta kropla natychmiast rozpada się na kaskadę tysięcy innych cząstek, które rozlatują się we wszystkich kierunkach.

Tu do akcji wkracza sPHENIX. Działa on jak gigantyczna, ultraszybka kamera 3D. Jego warstwy detektorów, w tym zewnętrzne i wewnętrzne kalorymetry hadronowe, kalorymetr elektromagnetyczny i zaawansowane systemy śledzenia trajektorii, są zaprojektowane do wychwytywania i mierzenia energii, kierunku i tożsamości każdej cząstki powstającej w wyniku zderzenia. Detektor jest w stanie rejestrować i przetwarzać dane z niewiarygodnych 15 000 zderzeń na sekundę. W sercu detektora znajduje się również kluczowy komponent, subdetektor MVTX (mikro-vertex), zaprojektowany i zbudowany przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT), co znacznie poprawiło precyzję śledzenia cząstek.

Egzamin dojrzałości zdany: Kalibracja za pomocą "standardowej świecy"

Zanim sPHENIX mógł rozpocząć poszukiwania nowych odkryć, musiał udowodnić, że działa bezbłędnie. W tym celu naukowcy przeprowadzili test, wykorzystując metodę znaną w fizyce jako "standardowa świeca". Jest to dobrze znany i ustalony pomiar, którego wynik jest z góry znany, a służy do kalibracji i weryfikacji precyzji instrumentu.

Podczas początkowej fazy pracy pod koniec ubiegłego roku, która trwała trzy tygodnie, RHIC zderzał wiązki jonów złota, a sPHENIX pilnie zbierał dane. Zespół naukowy, którego wyniki opublikowano w czasopiśmie Journal of High Energy Physics, przeanalizował liczbę i energię naładowanych cząstek powstałych w tych zderzeniach. Kluczową częścią testu było sprawdzenie, czy detektor potrafi rozróżnić różne rodzaje zderzeń – od bezpośrednich, "czołowych" zderzeń, po te, w których jony tylko się "ocierają".

Wyniki były nadzwyczajne i potwierdziły przewidywania teoretyczne. Detektor precyzyjnie zmierzył, że zderzenia czołowe produkują 10 razy więcej naładowanych cząstek, które jednocześnie miały 10 razy większą energię w porównaniu ze zderzeniami peryferyjnymi. "To jasno pokazuje, że detektor działa zgodnie z przeznaczeniem" – powiedział Hao-Ren Jheng, student fizyki na MIT i jeden z głównych autorów badania. Gunther Roland, profesor fizyki na MIT, obrazowo opisał ten sukces: "To tak, jakbyś wysłał w kosmos nowy teleskop, nad którego budową pracowałeś dziesięć lat, a on robi pierwsze zdjęcie. Może to nie jest zdjęcie czegoś zupełnie nowego, ale dowodzi, że jest teraz gotowy do rozpoczęcia prawdziwej nauki".

Odkrywanie tajemnic najwcześniejszego wszechświata

Po potwierdzeniu, że sPHENIX jest sprawny i wyjątkowo precyzyjny, prawdziwa przygoda naukowa dopiero się zaczyna. Naukowcy już rozpoczęli nowe cykle zderzeń cząstek i oczekuje się, że zbieranie danych potrwa jeszcze kilka miesięcy. Dzięki ogromnej ilości danych, które sPHENIX zgromadzi, zespół będzie mógł badać niezwykle rzadkie procesy – zdarzenia, które mogą występować raz na miliard zderzeń.

To właśnie te rzadkie zdarzenia mogą dostarczyć kluczowych informacji na temat fundamentalnych właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej i wszechświata. Celem jest odpowiedź na pytania takie jak: Jaka jest dokładna gęstość QGP? Jak cząstki poruszają się (dyfundują) przez tę ultragęstą materię? Jaka energia jest potrzebna, aby związać ze sobą różne rodzaje kwarków? Odpowiedzi na te pytania nie tylko pomogą nam zrekonstruować warunki panujące w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, ale także pogłębią nasze zrozumienie silnego oddziaływania jądrowego, jednej z czterech fundamentalnych sił natury rządzących wszechświatem.

Działanie detektora sPHENIX stanowi zwieńczenie dziesięcioleci rozwoju technologii detektorów i opiera się na dziedzictwie swojego poprzednika, eksperymentu PHENIX. Zdolność do zbierania danych z niespotykaną dotąd szybkością i precyzją otwiera zupełnie nowe okno na świat cząstek subatomowych i zjawisk, które ukształtowały wszystko, co dziś widzimy wokół nas.