U srcu Nacionalnog laboratorija Brookhaven, kolosalni detektor čestica nazvan sPHENIX uspješno je prošao ključni test, potvrđujući svoju spremnost da zaviri u najranije trenutke postojanja našeg svemira. Ovaj tehnološki div, veličine dvokatnice i težak oko 1000 tona, dizajniran je s jednim ciljem: proučavanje misterioznog stanja materije poznatog kao kvark-gluonska plazma (QGP), za koju se vjeruje da je ispunjavala svemir u prvim mikrosekundama nakon Velikog praska.

Ovaj uspješan test, opisan kao provjera pomoću "standardne svijeće", predstavlja prekretnicu za cjelokupnu znanstvenu suradnju koja okuplja više od 300 znanstvenika iz cijelog svijeta. Potvrđeno je da sPHENIX radi prema najvišim specifikacijama i da je sada spreman za početak svoje primarne misije – otkrivanja tajni materije u njezinom najfundamentalnijem i najekstremnijem obliku.

Primordijalna juha: Zaron u kvark-gluonsku plazmu

Da bismo razumjeli značaj detektora sPHENIX, moramo se vratiti gotovo 13,8 milijardi godina u prošlost, u trenutak neposredno nakon Velikog praska. U tom infinitezimalno kratkom vremenskom prozoru, svemir je bio nezamislivo vruć i gust. Temperature su dosezale nekoliko bilijuna Celzijevih stupnjeva, što je prevruće da bi se formirale stabilne čestice poput protona i neutrona koje danas čine jezgre atoma.

Umjesto toga, svemir je bio ispunjen vrelom, gustom "juhom" fundamentalnih čestica – kvarkova i gluona – koje su se slobodno kretale. To stanje materije nazivamo kvark-gluonska plazma. Kvarkovi su osnovni gradivni blokovi protona i neutrona, dok su gluoni čestice nositelji jake nuklearne sile, sile koja kvarkove "lijepi" zajedno. U uvjetima QGP-a, ta veza je prekinuta, a čestice su bile oslobođene.

Međutim, ovo egzotično stanje bilo je izuzetno kratkotrajno. Kako se svemir širio i hladio, kvarkovi i gluoni su se gotovo trenutačno, unutar otprilike 10^-22 sekundi (sekstilijunti dio sekunde), spojili u protone i neutrone, formirajući tako materiju kakvu danas poznajemo. Znanstvenici nikada ne mogu izravno promatrati QGP; ona nestaje u trenu. Umjesto toga, proučavaju "pepeo" – čestice koje izlijeću iz njezina raspada – kako bi rekonstruirali njezina svojstva. Jedno od najfascinantnijih otkrića jest da se QGP ponaša kao "savršena tekućina", što znači da teče gotovo bez ikakvog trenja ili viskoznosti, poput jedinstvenog entiteta, a ne kao kaotični plin čestica kako se isprva mislilo.

Divovska 3D kamera za prve trenutke svemira

Kako bi ponovno stvorili uvjete slične onima nakon Velikog praska, znanstvenici koriste moćne akceleratore čestica. U Nacionalnom laboratoriju Brookhaven nalazi se jedan od najvažnijih takvih uređaja na svijetu: Relativistički sudarač teških iona (RHIC). RHIC je kružni akcelerator opsega 3,8 kilometara koji ubrzava teške ione, poput jezgri atoma zlata, do brzina bliskih brzini svjetlosti.

Ti snopovi iona kruže u suprotnim smjerovima unutar akceleratora, a na određenim točkama se njihove putanje križaju. Na jednom od tih sjecišta smješten je detektor sPHENIX. Kada se ioni zlata sudare pri tako enormnim brzinama, oslobađa se golema količina energije koja na djelić sekunde stvara sićušnu kapljicu kvark-gluonske plazme. Ta kapljica se odmah raspada u slap tisuća drugih čestica koje se razlijeću na sve strane.

Tu na scenu stupa sPHENIX. On funkcionira kao divovska, ultra-brza 3D kamera. Njegovi slojevi detektora, uključujući vanjske i unutarnje hadronske kalorimetre, elektromagnetski kalorimetar i napredne sustave za praćenje putanja, dizajnirani su da uhvate i izmjere energiju, smjer i identitet svake čestice koja proizađe iz sudara. Detektor je sposoban zabilježiti i obraditi podatke iz nevjerojatnih 15.000 sudara u sekundi. U srcu detektora nalazi se i ključna komponenta, poddetektor MVTX (mikro-verteks), koji su dizajnirali i izradili znanstvenici s Instituta za tehnologiju u Massachusettsu (MIT), čime je značajno poboljšana preciznost praćenja čestica.

Položen ispit zrelosti: Kalibracija pomoću "standardne svijeće"

Prije nego što je sPHENIX mogao započeti svoju potragu za novim otkrićima, morao je dokazati da radi besprijekorno. U tu svrhu, znanstvenici su proveli testiranje koristeći metodu poznatu u fizici kao "standardna svijeća". To je dobro poznato i utvrđeno mjerenje čiji je ishod unaprijed poznat, a koristi se za kalibraciju i provjeru preciznosti instrumenta.

Tijekom inicijalne faze rada krajem prošle godine, koja je trajala tri tjedna, RHIC je sudarao snopove iona zlata, a sPHENIX je marljivo prikupljao podatke. Znanstveni tim, čiji su rezultati objavljeni u časopisu Journal of High Energy Physics, analizirao je broj i energiju nabijenih čestica nastalih u tim sudarima. Ključni dio testa bio je provjeriti može li detektor razlikovati različite vrste sudara – od izravnih, "čeonih" sudara, do onih u kojima se ioni samo "okrznu".

Rezultati su bili izvanredni i potvrdili su teorijska predviđanja. Detektor je precizno izmjerio da čeoni sudari proizvode 10 puta više nabijenih čestica, koje su ujedno imale i 10 puta veću energiju u usporedbi s perifernim sudarima. "Ovo jasno pokazuje da detektor funkcionira kako je i predviđeno", izjavio je Hao-Ren Jheng, student fizike na MIT-u i jedan od vodećih autora studije. Gunther Roland, profesor fizike na MIT-u, slikovito je opisao ovaj uspjeh: "To je kao da ste u svemir poslali novi teleskop na čijoj ste izgradnji radili deset godina, a on snimi prvu sliku. To možda nije slika nečeg potpuno novog, ali dokazuje da je sada spreman za početak prave znanosti."

Otključavanje tajni najranijeg svemira

S potvrdom da je sPHENIX operativan i iznimno precizan, prava znanstvena avantura tek počinje. Znanstvenici su već započeli s novim ciklusima sudaranja čestica i očekuje se da će prikupljanje podataka trajati još nekoliko mjeseci. S ogromnom količinom podataka koju će sPHENIX prikupiti, tim će moći istraživati iznimno rijetke procese – događaje koji se događaju možda jednom u milijardu sudara.

Upravo ti rijetki događaji mogli bi pružiti ključne uvide u fundamentalna svojstva kvark-gluonske plazme i svemira. Cilj je odgovoriti na pitanja poput: Kolika je točno gustoća QGP-a? Kako se čestice kreću (difundiraju) kroz tu ultra-gustu materiju? Kolika je energija potrebna da se različite vrste kvarkova vežu zajedno? Odgovori na ova pitanja ne samo da će nam pomoći rekonstruirati uvjete koji su vladali u prvim trenucima nakon Velikog praska, već će produbiti i naše razumijevanje jake nuklearne sile, jedne od četiri fundamentalne sile prirode koja upravlja svemirom.

Rad detektora sPHENIX predstavlja vrhunac desetljeća razvoja tehnologije detektora i nadovezuje se na nasljeđe svog prethodnika, eksperimenta PHENIX. Sposobnost prikupljanja podataka neviđenom brzinom i preciznošću otvara potpuno novi prozor u svijet subatomskih čestica i fenomena koji su oblikovali sve što danas vidimo oko nas.