El fin del Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​marca un nuevo comienzo para la física de partículas de EE. UU.

Cuando el universo surgió por primera vez, todo el espacio era un caldero cósmico lleno de un líquido turbulento y ardiente de partículas fundamentales calentadas a billones de grados. Pero esta sopa primordial hirviente (la materia de las galaxias, estrellas, planetas y personas futuras) sólo duró unos pocos microsegundos. Los bloques de construcción más comunes de la materia, los protones y los neutrones, se asentaron a medida que el universo se expandió y enfrió, y la materia extraña desapareció para no volver a verse nunca más.

Es decir, hasta que apareció 13.800 millones de años después, precisamente en Long Island, específicamente en el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) alrededor del cambio de milenio, convocado por un experimento recién construido llamado Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC). RHIC fue diseñado para recrear los primeros momentos del universo rompiendo núcleos atómicos llenos de protones y neutrones a una velocidad cercana a la de la luz, reavivando el fuego de la creación perdido hace mucho tiempo en explosiones subatómicas que duraron menos de una billonésima de billonésima de segundo.

Y durante el último cuarto de siglo ha hecho precisamente eso, una y otra vez, haciendo que esta replicación revolucionaria del universo primitivo parezca casi una rutina. Durante su trayectoria récord de 25 años, RHIC iluminó la fuerza más espinosa de la naturaleza y sus constituyentes más fundamentales. Creó los conjuntos de antimateria más pesados ​​y elaborados jamás vistos. Casi puso fin a una crisis de décadas sobre el giro del protón. Y, por supuesto, acercó más que nunca a los físicos al Big Bang.

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Pero al igual que la sopa de corta duración, los días de RHIC estaban contados y ahora han llegado a su fin. Hoy en BNL, una sala de control llena de científicos, administradores y miembros de la prensa se reunieron para presenciar las colisiones finales del experimento. El ambiente había sido melancólico, pero la multitud rompió en aplausos cuando Darío Gil, subsecretario de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, presionó un botón rojo para poner fin a la saga de un cuarto de siglo del colisionador.

“Será bueno dormir bien por un tiempo”, dice Travis Shrey de BNL, quien coordinó la ejecución final, la más larga del experimento. “Estoy emocionado de llegar a la meta”.

Otros tenían emociones más encontradas, como Angelika Drees, física de aceleradores de BNL. “Para ser sincera, me gustaría poder sentarme en un rincón y llorar”, dice. “Estoy realmente triste: fue un experimento tan hermoso y mi hogar de investigación durante 27 años. Pero vamos a poner algo aún mejor allí”.

Ese “algo” será un colisionador de iones de electrones mucho más poderoso para ampliar aún más las fronteras de la física, ampliar el legado del RHIC y mantener la posición del laboratorio como centro de descubrimiento. Este sucesor se construirá en parte a partir de los huesos del RHIC, especialmente de uno de sus dos gigantescos anillos de almacenamiento subterráneos que alguna vez mantuvieron el suministro de núcleos circulantes a velocidad cercana a la de la luz del colisionador en retirada.

Ver el interior del protón

El propósito de RHIC era arrojar luz sobre la fuerza fuerte, la más oscura y contraintuitiva de las cuatro formas fundamentales que conocemos de cómo la naturaleza tira de las cosas.

La fuerza fuerte opera entre los quarks, las partículas que los físicos se dieron cuenta que debían existir cuando descubrieron en la década de 1960 que los protones y los neutrones se pueden dividir como átomos. Tres quarks se unen para formar protones y neutrones, que a su vez forman los núcleos de los átomos.

Eso sugeriría que lo que vemos a nuestro alrededor es, en masa, en su mayoría quarks. Pero, contrariamente a la intuición, los tres quarks que componen un protón sólo suman alrededor del 1 por ciento de su masa. El resto proviene del “pegamento” que los une: partículas llamadas gluones que se intercambian constantemente entre quarks y, lo que es más extraño aún, carecen por completo de masa. ¿Cómo podría ser, se preguntaban los físicos, que unos pocos quarks ligeros y un mar de gluones sin masa sumen la masa de un protón voluminoso de gigaelectrones voltios?

De dónde obtiene su giro el protón es un enigma aún más complicado. Como casi cualquier otra partícula, los protones tienen “giro”, una propiedad cuántica similar a una peonza que gira. El espín cuántico del protón debería provenir de los quarks que lo constituyen, pero en 1987 los físicos descubrieron que no era así. Para encontrar la fuente faltante del giro, se dieron cuenta de que necesitarían una manera de romper los protones y estudiar sus entrañas.

Incluso para los físicos de partículas, los quarks son cosas resbaladizas, casi caprichosas: los seis especímenes tienen nombres como “extraño” y “encanto”, y llevan un arcano análogo de la carga eléctrica llamado “color”. Todos estos títulos excéntricos corresponden a su naturaleza esquiva. A diferencia de las otras tres fuerzas, la confusamente llamada fuerza fuerte entre quarks en realidad se vuelve más débil, no más fuerte, a medida que las partículas se acercan. Los quarks apiñados pueden deambular libremente, pero si intentas separarlos, el pegamento actúa con fuerza.

Esto explica por qué los quarks y los gluones se comportan de manera tan diferente ahora que en las primeras fracciones de segundo del tiempo cósmico. En el universo relativamente frío y difuso de hoy, los quarks se han asentado para sedar vidas dentro de sus hogares protónicos y neutrónicos. Pero en las condiciones inconcebiblemente calientes y densas que siguieron inmediatamente al Big Bang, los quarks y los gluones estaban tan juntos que brevemente se comportaron como un fluido omnipresente, es decir, la ardiente sopa primordial. Los físicos llamaron a esta fase distinta de materia extraña plasma de quarks-gluones.

Las paradojas de la fuerza fuerte hacen que sus interacciones sean increíblemente difíciles de predecir. El comportamiento de incluso unos pocos quarks y gluones es incalculable sin las supercomputadoras más avanzadas del mundo. En cierto sentido, el plasma de quarks y gluones parece imposible. Y sin embargo es el origen de todo.

A principios de la década de 1980, los físicos comenzaron a planificar lo que eventualmente se convertiría en RHIC: una manera de recrear ese plasma y luego, con suerte, resolver las crisis de protones y precisar la fuerza más esquiva de la naturaleza. El truco consistía en preparar el plasma a partir de choques frontales precisos entre dos núcleos de un elemento pesado como el oro, cada uno de los cuales se movía lo suficientemente rápido (99,995 por ciento de la velocidad de la luz) como para escupir una gran cantidad de combustible de quarks. (El término técnico para estos núcleos, a los que se les han despojado de sus electrones, es “iones”, que da origen al nombre completo de RHIC). Sin embargo, la instalación también podría enviar por separado dos protones que colisionen con espines alineados con precisión, algo que, incluso hoy en día, ningún otro experimento ha igualado todavía. Ambos modos de funcionamiento dependerían de un par de anillos de almacenamiento de partículas de 2,4 millas de ancho, que, incluso ahora, siguen siendo los más grandes de EE. UU.

Descubrimientos en el retrovisor y en el futuro

Cuando el RHIC finalmente comenzó a funcionar plenamente en 2000, sus colisiones iniciales de iones pesados ​​casi inmediatamente bombearon plasma de quarks y gluones. Pero demostrar esto más allá de toda duda resultó, en algunos aspectos, más desafiante que crear el escurridizo plasma en sí, y los argumentos a favor del éxito se fortalecieron a medida que el número de colisiones del RHIC se disparó.

En 2010, los científicos del RHIC tenían la confianza suficiente para declarar que la sopa caliente que habían estado estudiando durante una década era lo suficientemente caliente y espesa como para constituir de manera convincente un plasma de quarks y gluones. Y fue aún más extraño de lo que pensaban. En lugar del gas de quarks y gluones que esperaban los teóricos, el plasma actuó como un líquido arremolinado sin precedentes en la naturaleza. Era casi “perfecto”, sin fricción, y estableció un nuevo récord de torsión o “vorticidad”.

Para Paul Mantica, director de la División de Gestión de Instalaciones y Proyectos de la Oficina de Física Nuclear del DOE, este fue el punto culminante de la histórica existencia de RHIC. “Fue un cambio de paradigma”, dice.

Pero el colisionador tenía mucho más que ofrecer. En 2023, basándose en los billones de colisiones de protones alineados con espín del RHIC, los físicos de BNL anunciaron que estaban un gran paso más cerca de resolver el rompecabezas del espín de los protones. Explicaron con precisión el giro tanto de los quarks como de los gluones. Pero una porción considerable sigue sin explicación y surge misteriosamente del movimiento combinado de los dos electores.

El último éxito de RHIC no es realmente el final; incluso cuando sus colisiones cesen, su ciencia seguirá viva.

“La mayor parte de nuestra productividad científica está por delante de nosotros”, dice David Morrison de la colaboración sPHENIX, que utilizó un detector homónimo que comenzó a recopilar datos en BHL hace apenas tres años para obtener un conjunto final de respuestas del RHIC antes de su cierre. sPHENIX se centró en cómo partículas particularmente energéticas estallan a través de la suciedad de quarks y gluones, y resultó tan prolífico que generó la mayoría de los cientos de petabytes de datos recopilados durante la última ejecución de RHIC, más que todas las campañas anteriores de RHIC juntas.

“Estoy eufórica”, dice Linda Horton, directora interina de la Oficina de Ciencias del DOE, propietario y operador de BNL. “El colisionador desapareció, pero RHIC sobrevivirá a través de los datos”.

De hecho, los datos del experimento final (que comenzó hace casi un año) ya han producido otro descubrimiento: la primera evidencia directa de “partículas virtuales” en las bocanadas subatómicas de plasma de quarks y gluones del RHIC, que constituyen una sonda sin precedentes del vacío cuántico.

El fin de RHIC pretende marcar el comienzo de algo aún mayor. Su sucesor, el Colisionador de Iones y Electrones (EIC), está previsto que se construya durante la próxima década. Ese proyecto utilizará gran parte de la infraestructura del RHIC, reemplazando uno de sus anillos iónicos por un nuevo anillo para el ciclo de electrones. El EIC utilizará esos pequeños electrones que vuelan rápidamente como pequeños cuchillos para abrir los iones de oro, mucho más grandes. Los físicos obtendrán una visión incomparable del funcionamiento de los quarks y gluones y otra oportunidad más de lidiar con la fuerza más poderosa de la naturaleza.

“Sabíamos que para que el EIC sucediera, el RHIC tenía que terminar”, dice Wolfram Fischer, quien preside el departamento de colisionadores y aceleradores de BNL. “Es agridulce”.

EIC será el primer colisionador nuevo construido en Estados Unidos desde RHIC. Para algunos, significa el reingreso del país a un panorama de física de partículas que ha cedido en gran medida a Europa y Asia durante las últimas dos décadas. “Durante al menos 10 o 15 años”, dice Abhay Deshpande, director asociado del laboratorio de física nuclear y de partículas del BNL, “este será el lugar número uno en el mundo para [young physicists] por venir.”