La teoria principale sull'origine dell'universo è il Big Bang, che dice che 14 miliardi di anni fa l'universo esisteva come una singolarità, un punto unidimensionale, con una vasta gamma di particelle fondamentali contenute al suo interno. Il calore e l'energia estremamente elevati hanno fatto sì che si gonfiasse e poi si espandesse nel cosmo come lo conosciamo e, l'espansione continua fino ad oggi.

Il risultato iniziale del Big Bang è stato un liquido intensamente caldo ed energico che è esistito per pochi microsecondi che era di circa 10 miliardi di gradi Fahrenheit (5,5 miliardi di gradi Celsius). Questo liquido conteneva niente di meno che i mattoni di tutta la materia. Mentre l'universo si raffreddava, le particelle sono decadute o combinate dando origine a... Tutto quanto.

Quark-gluon plasma (QGP) è il nome di questa misteriosa sostanza così chiamata perché composta da quark, le particelle fondamentali, e gluoni, che il fisico Rosi J. Reed descrive come "ciò che i quark usano per parlare tra loro".

Scienziati come Reed, un assistente professore nel Dipartimento di Fisica della Lehigh University la cui ricerca include la fisica sperimentale delle alte energie, non può tornare indietro nel tempo per studiare come è iniziato l'Universo. Quindi ricreano le circostanze, facendo scontrare ioni pesanti, come l'oro, quasi alla velocità della luce, generando un ambiente che è 100, 000 volte più caldo dell'interno del sole. La collisione imita il modo in cui il plasma di quark e gluoni è diventato materia dopo il Big Bang, ma al contrario:il calore scioglie i protoni e i neutroni degli ioni, liberando i quark e i gluoni nascosti al loro interno.

Attualmente ci sono solo due acceleratori operativi al mondo in grado di far collidere ioni pesanti e solo uno negli Stati Uniti:il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Lab. È a circa tre ore di macchina da Lehigh, a Long Island, New York.

Reed fa parte della collaborazione STAR, un gruppo internazionale di scienziati e ingegneri che esegue esperimenti sul Solenoidal Tracker presso RHIC (STAR). Il rivelatore STAR è enorme ed è in realtà composto da molti rivelatori. È grande come una casa e pesa 1, 200 tonnellate. La specialità di STAR è tracciare le migliaia di particelle prodotte da ogni collisione di ioni al RHIC alla ricerca delle firme del plasma di quark e gluoni.

"Durante gli esperimenti ci sono due "manopole" che possiamo cambiare:la specie, come oro su oro o protone su protone, e l'energia di collisione, " dice Reed. "Possiamo accelerare gli ioni in modo diverso per ottenere un diverso rapporto energia-massa".

Utilizzando i vari rilevatori STAR, il team fa scontrare ioni a diverse energie di collisione. L'obiettivo è mappare il diagramma di fase del plasma di quark-gluoni, o i diversi punti di transizione al variare del materiale al variare delle condizioni di pressione e temperatura. La mappatura del diagramma di fase del plasma di quark-gluoni sta anche mappando la forza nucleare forte, altrimenti noto come Cromodinamica Quantistica (QCD), che è la forza che tiene insieme i protoni carichi positivamente.

"Ci sono un mucchio di protoni e neutroni nel centro di uno ione, " spiega Reed. "Questi sono caricati positivamente e dovrebbero respingere, ma c'è una 'forza forte' che li tiene uniti? abbastanza forte da superare la loro tendenza a disgregarsi."

Comprensione del diagramma di fase del plasma di quark-gluoni, e la posizione e l'esistenza della transizione di fase tra il plasma e la materia normale è di fondamentale importanza, dice Reed.

"È un'opportunità unica per imparare come una delle quattro forze fondamentali della natura opera a temperature e densità di energia simili a quelle che esistevano solo pochi microsecondi dopo il Big Bang, "dice Reed.

Aggiornamento dei rilevatori RHIC per mappare meglio la "forza forte"

Il team STAR utilizza un Beam Energy Scan (BES) per eseguire la mappatura della transizione di fase. Durante la prima parte del progetto, noto come BES-I, il team ha raccolto prove osservabili con "risultati intriganti". Reed ha presentato questi risultati al 5° incontro congiunto della Divisione APS di fisica nucleare e della Società Fisica del Giappone alle Hawaii nell'ottobre 2018 in un discorso intitolato:"Testare i limiti del plasma di quark-gluoni con scansioni di energia e specie al RHIC".

Però, statistiche limitate, accettazione, e la scarsa risoluzione del piano degli eventi non ha consentito di trarre conclusioni definitive per una scoperta. La seconda fase del progetto, noto come BES-II, sta andando avanti e include un miglioramento su cui Reed sta lavorando con i membri del team STAR:un aggiornamento dell'Event Plane Detector. I collaboratori includono scienziati di Brookhaven e dell'Ohio State University.

Il team STAR prevede di continuare a condurre esperimenti e raccogliere dati nel 2019 e nel 2020, utilizzando il nuovo rilevatore di piano degli eventi. Secondo Reed, il nuovo rilevatore è progettato per localizzare con precisione dove avviene la collisione e aiuterà a caratterizzare la collisione, in particolare come è "a testa alta".

"Aiuterà anche a migliorare le capacità di misurazione di tutti gli altri rilevatori, "dice Reed.

La collaborazione STAR prevede di eseguire i prossimi esperimenti al RHIC a marzo 2019.