Choć RHIC działa regularnie od początku XXI wieku, jest on bezustannie modernizowany. Najnowsze komponenty – jak przekonują fizycy – pozwolą naukowcom dostrzec więcej cząstek powstających w zderzeniach i jednocześnie bliżej samego miejsca zderzenia niż kiedykolwiek wcześniej.
Co się bada w zderzaczu cząstek?
Podczas zderzenia dwóch jąder atomowych z prędkościami bliskimi prędkości światła dochodzi do rozerwania tworzących je protonów i neutronów na pojedyncze kwarki i gluony. Powstałe w ten sposób cząstki elementarne tworzą po zderzeniu swoistą plazmę kwarkowo-gluonową, dokładnie taką samą, jaka wypełniała wszechświat milionową część sekundy po Wielkim Wybuchu. Wtedy to właśnie z niej utworzyły się pierwsze protony i neutrony. Badając właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej pozwala fizykom odpowiedzieć na tak fundamentalne pytania jak: dlaczego materia zachowuje się w taki sposób, w jaki się zachowuje.
Czytaj także: Jądro atomowe można zobaczyć tak, jak nigdy przedtem. To przydatniejsze, niż ci się wydaje
Przez ostatnie kilka dekad naukowcy odpowiadali pieczołowicie na pytanie, w jaki sposób owa plazma się zachowuje i jakie ma właściwości. W fizyce, a tak naprawdę w całej nauce jest jednak tak, że zestaw odpowiedzi na jedno pytanie, prowokuje powstawanie nowych pytań. Dlatego, teraz kiedy już wiemy jakie właściwości ma plazma kwarkowo-gluonowa, badacze chcą się skupić na zrozumieniu, w jaki sposób te właściwości powstają na skutek interakcji pojedynczych kwarków i gluonów. Jak na razie nikt nie zna odpowiedzi na to pytanie.
Czym będzie tym razem zajmował się RHIC?
Jak przekonują fizycy odpowiedzialni za nowe instrumenty zderzacza cząstek, w najnowszym programie badań fizycy spróbują stworzyć swoistą linijkę, która pozwoli im zmierzyć odległości, w jakich poszczególne siły oddziałują na poszczególne kwarki i gluony. Choć brzmi to niewiarygodnie, badacze będą w stanie badać w jakich kierunkach, pod jakim kierunkiem, z jaką energią i pędem przemieszczają się cząstki tworzące wąskie, skolimowane strumienie powstałe w zderzeniu, tzw. dżety.
Zanim jednak do tego dojdzie naukowcy muszą przeprowadzić skomplikowaną serię testów i wdrażania akceleratora do pracy. Jakby nie patrzeć, sPHENIX, czyli detektor, który będzie odpowiedzialny za nowe badania budowany był przez setki osób przez ostatnie ponad siedem lat. Zważając na precyzję, jaką musi on uzyskać, aby generować ultraprecyzyjne dane, sprawdzenie prawidłowości jego działania ma teraz najwyższy priorytet.
Z czasem badacze będą podnosili energię zderzeń aż dojdą do zderzeń dwóch jonów złota z energią rzędu 200 GeV. Takie zderzenia już wcześniej były prowadzone, jednak ze względu na wykorzystanie jednego z komponentów niemożliwe było osiągnięcie wysokiej rozdzielczości innych pomiarów. Teraz ten komponent został usunięty, dzięki czemu naukowcy spodziewają się znacznie dokładniejszych pomiarów. W międzyczasie badacze wprowadzili wiele innych usprawnień w licznych elementach składowych detektora. Po latach prac, w 2023 roku po raz pierwszy fizycy będą mieli okazję wykorzystać wszystkie te usprawnienia jednocześnie. Jony złota (jądra atomów złota pozbawione elektronów) będą wprowadzane w dwa nakładające się pierścienie zderzacza RHIC i rozpędzane w przeciwnych do siebie kierunkach. Do zderzeń między nimi będzie dochodziło w detektorach sPHENIX oraz STAR znajdujących się na przecięciu obu pierścieni. Za każdym razem chmury cząstek będą coraz liczniejsze, dzięki czemu będzie dochodziło do coraz większej liczby zderzeń.
Dzięki temu naukowcy w końcu będą mogli dokładnie przyjrzeć się dżetom powstającym w procesie fragmentacji ciężkiego kwarku niskiego. Obserwacje tych mikroskopijnych oddziaływań zachodzących między kwarkami i gluonami pozwolą ustalić źródło specyficznych właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej. W 2024 roku naukowcy planują przeprowadzenie zderzeń proton-proton, a rok później złoto-złoto.
