Das Universum begann vor etwa 14 Milliarden Jahren mit einem einzigen Punkt, der laut der vorherrschenden Theorie, die als Urknall bekannt ist, eine Vielzahl von Elementarteilchen enthielt. Unter dem Druck extremer Hitze und Energie blähte sich der Punkt auf und dehnte sich dann aus, um das Universum zu werden, wie wir es kennen. Diese Expansion hält bis heute an.
Die Entschlüsselung der Geheimnisse dessen, was in diesem ersten Augenblick geschah, ist ein Schlüsselthema der kernphysikalischen Forschung. Rosi Reed, außerordentliche Professorin, und Anders Knospe, Assistenzprofessor – beide in der Fakultät für Physik – stehen an vorderster Front dieser Forschung und untersuchen die Natur der ursprünglich erzeugten Materie, des Quark-Gluon-Plasmas, einer Flüssigkeit aus subatomaren Teilchen . Mit Unterstützung der National Science Foundation haben sie einen hochspezialisierten Detektor gebaut, um Aspekte des Universums zu messen, die noch nie zuvor gemessen wurden.
Reed und Knospe installieren ihren Event-Plane-Detektor am Relativistic Ion Collider (RHIC) des Brookhaven National Laboratory in Long Island, New York, einer von nur zwei in Betrieb befindlichen Teilchenbeschleunigeranlagen. Sie führen Experimente durch, um ihre gemeinsame und individuelle Forschung zur starken Kernkraft, einer der vier Grundkräfte der Natur, zusammen mit der Schwerkraft, dem Elektromagnetismus und der schwachen Kernkraft voranzutreiben. Die starke Kraft hält Atomkerne zusammen.
Ihr Detektor ist Teil der sPHENIX-Initiative, einer „radikalen Überarbeitung“ der ursprünglichen Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment (PHENIX)-Anlage, die entwickelt wurde, um hochenergetische Kollisionen von schweren Ionen und Protonen zu untersuchen. Es wird neue Komponenten umfassen, die die Fähigkeit der Wissenschaftler erheblich verbessern, etwas über Quark-Gluon-Plasma zu lernen.
„Am Collider können wir sehen, wie das Universum in den ersten 10 Mikrosekunden oder so aussah“, sagt Reed.
Ihr Ereignisebenendetektor wurde entwickelt, um die Flugbahnen grundlegender geladener Teilchen nach der Kollision zu messen.
„Wenn Sie zwei Kerne haben, die miteinander kollidieren, haben Sie, sofern es sich nicht um eine Frontalkollision handelt, unterschiedliche Ausrichtungen der Kerne mit einer Linie, die ihre Zentren horizontal oder vertikal verbindet. Dies wird als Ereignisebene bezeichnet“, sagt Knospe . „Zusätzlich zur Kartierung der Ereignisebene wird uns der Detektor dabei helfen, zu quantifizieren, wie heftig eine Kollision war. Allein durch die Messung der Anzahl der Partikel können wir abschätzen, ob es sich um eine Frontalkollision oder um eine Randkollision mit sehr flüchtigem Blick handelte.“
Der Bau des Detektors war ein arbeitsintensiver Prozess. Eine Reihe von Studenten, einige davon mit Unterstützung eines National Science Foundation Research Experiences for Undergraduates Award, arbeiteten mit Reed und Knospe zusammen, um Teile davon zu bauen, einschließlich der Szintillatorpanels. Die Platten leuchten auf, wenn sie von einem geladenen Teilchen getroffen werden, wodurch die Position des Teilchens gemessen werden kann.
Der Detektor, der als „Add-On“ für sPHENIX konzipiert wurde, „sieht aus wie zwei Scheiben und wird im Wesentlichen auf beiden Seiten von sPhenix direkt im Magneten angebracht“, sagt sie. „Die Scheiben werden messen, wo zwei geladene Teilchen oder Ionen kollidieren, und helfen, viele Fragen zu beantworten und wichtige Messungen zu bestimmen.“
Reed, dessen Arbeit sich auf die Untersuchung der Partikelstrahlen oder der sprühenden Partikel konzentriert, die aus den hochenergetischen Kollisionen herausfliegen, sagt, dass zu den wichtigsten wissenschaftlichen Fragen, die die Datenerfassung und -analyse bei der Beantwortung unterstützen könnte, gehören: Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie im Universum? Warum hat der Urknall Coldspots und Hotspots geschaffen, die in manchen Fällen zu Galaxien und anderen Entitäten verschmelzen? Ihre Arbeit wird durch einen CAREER Award der National Science Foundation unterstützt.
Knospe konzentriert sich auf die Verwendung schwerer subatomarer Teilchen namens Quarkonia, um das Quark-Gluon-Plasma zu untersuchen und seine Eigenschaften im Detail zu charakterisieren. Seine Arbeit wird durch einen Department of Energy CAREER Award unterstützt.
Letztendlich wird die Arbeit von Reed und Knospe am Collider ein besseres Verständnis der starken Kraft ermöglichen oder, wie Knospe es ausdrückt – „wie diese große Suppe aus all diesen subatomaren Teilchen zusammenkam, um diesen neuen Zustand der Materie oder wirklich genau das zu werden älteste.“