بحثوا في جامعة رايس التقطوا ملف درجة الحرارة للبلازما الكوارك-غلوون، المادة شديدة الحرارة من فجر الكون. من خلال تحليل انبعاثات الإلكترون-البوزيترون من التصادمات الذرية، حددوا درجات حرارة دقيقة في مراحل تطورية مختلفة. النتائج، المنشورة في Nature Communications، تحسن فهم الظروف الكونية المبكرة.
فريق بقيادة فيزيائي جامعة رايس فرانك غورتس حقق اختراقًا في فيزياء الجسيمات بقياس درجة حرارة بلازما الكوارك-غلوون (QGP) في مراحل مختلفة من تطورها. هذه البلازما، حالة من المادة حيث يوجد الكواركات والغلوونات بحرية، يُعتقد أنها ملأت الكون للتو في ملايين من الثواني بعد الانفجار العظيم. تم نشر النتائج في 14 أكتوبر في Nature Communications.
للتغلب على تحدي قياس درجات الحرارة في بيئات شديدة الإفراط للأدوات، درس الباحثون أزواج إلكترون-بوزيترون حرارية تنتج أثناء تصادمات عالية السرعة لنوى الذرات في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك. هذه الأزواج، أو الديليبتونات، تمر عبر البلازما دون تشويه، وتعمل كمقياس حرارة موثوق.
"قياساتنا تفتح بصمة QGP الحرارية"، قال غورتس، أستاذ في الفيزياء والفلك ومتحدث مشترك لتعاون RHIC STAR. "تتبع انبعاثات الديليبتونات سمح لنا بتحديد مدى سخونة البلازما ومتى بدأت في التبريد، مما يوفر رؤية مباشرة للظروف بعد ميكروثوانٍ فقط من نشأة الكون."
كشف الدراسة عن نطاقين متميزين لدرجات الحرارة بناءً على كتلة أزواج الدي إلكترون. في نطاق الكتلة المنخفضة، كانت درجة الحرارة المتوسطة حوالي 2.01 تريليون كلفن، متوافقة مع التنبؤات بانتقال البلازما إلى المادة العادية. أزواج الكتلة الأعلى أشارت إلى مرحلة أبكر وأسخن عند حوالي 3.25 تريليون كلفن.
"أزواج الليبتونات الحرارية، أو انبعاثات الإلكترون-البوزيترون المنتجة طوال عمر QGP، برزت كمرشحين مثاليين"، شرح غورتس. "على عكس الكواركات، التي يمكن أن تتفاعل مع البلازما، تمر هذه الليبتونات عبرها إلى حد كبير دون أذى، تحمل معلومات غير مشوهة عن بيئتها."
يعزز هذا العمل رسم خريطة لمخطط مراحل QCD، الذي يصف سلوك المادة تحت حرارة وكثافة قاسية، مشابهة للظروف في الكون المبكر ونجوم النيوترون. يشمل المساهمون الزميل ما بعد الدكتوراه السابق في رايس Zaochen Ye، والخريج Yiding Han، والطالب الخريج Chenliang Jin. دعمت البحوث مكتب العلوم في وزارة الطاقة الأمريكية.
"هذا التقدم يعني أكثر من قياس؛ إنه يبشر بعصر جديد في استكشاف أقصى حدود المادة"، ختم غورتس.