Um novo e poderoso detector de partículas acaba de passar por um teste crítico em seu objetivo de decifrar os ingredientes do universo primitivo.

O detector sPHENIX é o mais novo experimento do Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC) do Laboratório Nacional de Brookhaven e foi projetado para medir com precisão os produtos de colisões de partículas em alta velocidade. A partir dos resultados, os cientistas esperam reconstruir as propriedades do plasma de quarks e glúons (QGP) — uma sopa incandescente de partículas subatômicas conhecidas como quarks e glúons, que se acredita ter surgido nos poucos microssegundos seguintes ao Big Bang. Com a mesma rapidez, o misterioso plasma desapareceu, resfriando-se e combinando-se para formar os prótons e nêutrons que compõem a matéria comum de hoje.

Agora, o detector sPHENIX fez uma medição importante que prova que ele tem a precisão necessária para ajudar a juntar as propriedades primordiais do plasma de quarks e glúons.

Em um artigo no Journal of High Energy Physics , cientistas, incluindo físicos do MIT, relatam que o sPHENIX mediu com precisão o número e a energia das partículas que saíram dos íons de ouro que colidiram a uma velocidade próxima à da luz.

Este teste é considerado em física uma “vela padrão”, o que significa que a medição é uma constante bem estabelecida que pode ser usada para avaliar a precisão de um detector.

Em particular, o sPHENIX mediu com sucesso o número de partículas carregadas produzidas quando dois íons de ouro colidem e determinou como esse número muda quando os íons colidem de frente, em vez de apenas de relance. As medições do detector revelaram que colisões frontais produziram 10 vezes mais partículas carregadas, que também eram 10 vezes mais energéticas, em comparação com colisões menos diretas.

"Isso indica que o detector funciona como deveria", diz Gunther Roland, professor de física no MIT, membro e ex-porta-voz da Colaboração sPHENIX. "É como se você enviasse um novo telescópio ao espaço depois de passar 10 anos construindo-o e ele tirasse a primeira foto. Não é necessariamente a foto de algo completamente novo, mas prova que agora ele está pronto para começar a fazer ciência nova."

“Com essa base sólida, o sPHENIX está bem posicionado para avançar o estudo do plasma de quarks e glúons com maior precisão e resolução aprimorada”, acrescenta Hao-Ren Jheng, estudante de pós-graduação em física no MIT e coautor principal do novo artigo. “Investigar a evolução, a estrutura e as propriedades do QGP nos ajudará a reconstruir as condições do universo primitivo.”

Os coautores do artigo são todos membros da Colaboração sPHENIX, que reúne mais de 300 cientistas de diversas instituições ao redor do mundo, incluindo Roland, Jheng e físicos do Centro de Pesquisa e Engenharia Bates do MIT.

Aceleradores de partículas como o RHIC de Brookhaven são projetados para acelerar partículas a velocidades "relativísticas", ou seja, próximas à velocidade da luz. Quando essas partículas são lançadas em feixes circulantes opostos e reunidas, qualquer colisão que ocorra pode liberar uma quantidade enorme de energia. Nas condições certas, essa energia pode existir por um curto período na forma de plasma de quarks e glúons — a mesma substância que surgiu no Big Bang.

Assim como no universo primordial, o plasma de quarks e glúons não permanece por muito tempo em aceleradores de partículas. Se e quando o QGP é produzido, ele existe por apenas 10 elevado a menos 22, ou cerca de um sextilionésimo de segundo. Nesse momento, o plasma de quarks e glúons está incrivelmente quente, chegando a vários trilhões de graus Celsius, e se comporta como um "fluido perfeito", movendo-se como uma entidade única em vez de um conjunto de partículas aleatórias. Quase imediatamente, esse comportamento exótico desaparece, e o plasma esfria e se transforma em partículas mais comuns, como prótons e nêutrons, que fluem da colisão principal.

“Você nunca vê o QGP em si — você só vê suas cinzas, por assim dizer, na forma das partículas resultantes de sua decomposição”, diz Roland. “Com o sPHENIX, queremos medir essas partículas para reconstruir as propriedades do QGP, que essencialmente desaparece em um instante.”

O detector sPHENIX é a próxima geração do experimento original Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment, ou PHENIX, de Brookhaven, que mediu colisões de íons pesados ??gerados por RHIC. Em 2021, o sPHENIX foi instalado no lugar de seu antecessor, como uma versão mais rápida e potente, projetada para detectar as assinaturas mais sutis e efêmeras do plasma de quarks e glúons.

O detector em si tem aproximadamente o tamanho de uma casa de dois andares e pesa cerca de 1.000 toneladas. Ele fica na intersecção dos dois feixes principais do colisor RHIC, onde partículas relativísticas, aceleradas em direções opostas, se encontram e colidem, produzindo partículas que voam para dentro do detector. O detector sPHENIX é capaz de capturar e medir 15.000 colisões de partículas por segundo, graças aos seus novos componentes em camadas, incluindo o MVTX, ou microvértice — um subdetector projetado, construído e instalado por cientistas do Centro de Pesquisa e Engenharia Bates do MIT.

Juntos, os sistemas do detector permitem que o sPHENIX atue como uma câmera 3D gigante que pode rastrear o número, a energia e os caminhos de partículas individuais durante uma explosão de partículas gerada por uma única colisão.

“O SPHENIX aproveita os avanços na tecnologia de detectores desde que o RHIC foi inaugurado há 25 anos, para coletar dados na velocidade mais rápida possível”, afirma Cameron Dean, pós-doutorando do MIT e um dos principais colaboradores da análise do novo estudo. “Isso nos permite investigar processos incrivelmente raros pela primeira vez.”

No outono de 2024, cientistas submeteram o detector ao teste de "vela padrão" para avaliar sua velocidade e precisão. Ao longo de três semanas, eles coletaram dados do sPHENIX enquanto o colisor principal acelerava e colidia feixes de íons de ouro viajando à velocidade da luz. A análise dos dados mostrou que o sPHENIX mediu com precisão o número de partículas carregadas produzidas em colisões individuais de íons de ouro, bem como as energias das partículas. Além disso, o detector era sensível à "impacto frontal" de uma colisão e pôde observar que colisões frontais produziam mais partículas com maior energia, em comparação com colisões menos diretas.

“Esta medição fornece evidências claras de que o detector está funcionando conforme o esperado”, diz Jheng.

"A diversão com o sPHENIX está apenas começando", acrescenta Dean. "Estamos atualmente colidindo partículas novamente e esperamos continuar assim por mais alguns meses. Com todos os nossos dados, podemos procurar o processo raro, com uma ocorrência única em um bilhão, que pode nos dar insights sobre coisas como a densidade do QGP, a difusão de partículas através de matéria ultradensa e quanta energia é necessária para unir diferentes partículas."

Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, e pela Fundação Nacional de Ciências.