El último baile de los quarks: el legendario colisionador RHIC culmina su misión de 25 años

El Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. entra en el año final de experimentos en el Colisionador de Iones Pesados Relativista (RHIC). Durante un cuarto de siglo, este acelerador de partículas único —uno de solo dos colisionadores de este tipo jamás construidos— ha contribuido a numerosos descubrimientos extraordinarios.

Desde el año 2000, los físicos han utilizado esta instalación para colisionar núcleos de átomos de oro a velocidades cercanas a la de la luz. El objetivo era recrear y estudiar el plasma de quarks y gluones, un estado especial de la materia que existió en el Universo hace casi 14 mil millones de años, apenas unos microsegundos después del Big Bang. En las colisiones del colisionador, los quarks, antiquarks y gluones —los componentes más diminutos de protones y neutrones— se liberan y forman un plasma primario que puede ser examinado en detalle.

Durante las últimas dos décadas, los investigadores han perfeccionado continuamente las capacidades del acelerador, sus detectores y los sistemas de adquisición de datos. Ahora, en el vigésimo quinto y último arranque, planean estudiar el plasma de quarks y gluones con una precisión sin precedentes.

"Desde los primeros descubrimientos en la creación y descripción del plasma de quarks y gluones hasta la formación de investigadores talentosos en todo el mundo, el RHIC no solo ha ampliado los límites de la física nuclear, sino que también ha fomentado una profunda colaboración entre científicos", comenta Jing Huang, físico del laboratorio de Brookhaven y uno de los líderes del nuevo detector sPHENIX, capaz de registrar 15 mil colisiones por segundo.

El objetivo principal de esta fase final será la colisión de núcleos de oro a una energía de 200 mil millones de electronvoltios. Los experimentos continuarán hasta principios de junio. Tras una pausa veraniega, a mediados de ese mes, una comisión especial evaluará los resultados obtenidos y estudiará la posibilidad de realizar nuevos tipos de colisiones, dependiendo de la financiación.

Cada dos semanas, los físicos llevarán a cabo experimentos de 15 horas para mejorar el funcionamiento del acelerador. Durante ese tiempo, probarán nuevos modos de operación del colisionador y explorarán diferentes formas de aumentar su eficiencia. Paralelamente continuará en funcionamiento el detector STAR, modernizado en 2022. Su tarea principal es registrar las colisiones de núcleos de oro a una energía de 200 gigaelectronvoltios. Los científicos esperan obtener 10 mil millones de nuevas mediciones, además de los 8 mil millones ya recopilados. El sistema de disparo mejorado les permitirá seleccionar los eventos con mayor contenido energético.

Por primera vez, el detector sPHENIX funcionará a plena capacidad, con el objetivo de registrar 50 mil millones de colisiones de núcleos de oro. En su diseño se han incorporado dos innovaciones tecnológicas: una técnica única de seguimiento de trayectorias y el primer calorímetro hadrónico en forma de barril del RHIC. Este equipo permite determinar la naturaleza de las partículas, medir su energía y observar cómo se forman los flujos de energía direccional que revelan los mecanismos de transferencia de energía en el plasma de quarks y gluones.

Tras el cierre de RHIC este año, comenzará una nueva era en la física de partículas elementales. Al colisionador de iones pesados le sucederá una instalación completamente nueva: el colisionador electrón-ion (EIC). Mientras que el RHIC estudió materia caliente y densa recreando las condiciones del Universo primitivo mediante colisiones de núcleos de oro, el EIC investigará la materia nuclear fría usando haces de electrones —las partículas cargadas más ligeras—.

"Estamos pasando del estudio de la materia primordial incandescente a investigar la forma de materia de la que está compuesto todo el mundo visible hoy en día", explica Jing Huang. "Esto nos permitirá comprender mejor cómo está estructurado el Universo en su nivel más fundamental".

"El cierre de RHIC no es un final, sino un nuevo comienzo", añade Lijuan Ruan, responsable de los experimentos con STAR. "La próxima década nos traerá muchos descubrimientos asombrosos".