Investigadores de la Rice University han capturado el perfil de temperatura del plasma de quarks y gluones, la materia ultracaliente del amanecer del universo. Al analizar las emisiones de electrones y positrones de colisiones atómicas, determinaron temperaturas precisas en diferentes etapas evolutivas. Los hallazgos, publicados en Nature Communications, refinan la comprensión de las condiciones cósmicas tempranas.
Un equipo liderado por el físico de la Rice University Frank Geurts logró un avance en la física de partículas al medir la temperatura del plasma de quarks y gluones (QGP) en varias etapas de su evolución. Este plasma, un estado de la materia donde los quarks y gluones existen libremente, se cree que llenó el universo solo fracciones de millón de segundo después del Big Bang. Los resultados se publicaron el 14 de octubre en Nature Communications.
Para superar el desafío de medir temperaturas en entornos demasiado extremos para los instrumentos, los investigadores estudiaron pares térmicos de electrones y positrones producidos durante colisiones de alta velocidad de núcleos atómicos en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Brookhaven National Laboratory en Nueva York. Estos pares, o dileptones, atraviesan el plasma sin distorsión, sirviendo como un termómetro confiable.
"Nuestras mediciones desbloquean la huella térmica del QGP", dijo Geurts, profesor de física y astronomía y coportavoz de la colaboración RHIC STAR. "Rastrear las emisiones de dileptones nos ha permitido determinar qué tan caliente estaba el plasma y cuándo comenzó a enfriarse, proporcionando una vista directa de las condiciones justo microsegundos después del inicio del universo."
El estudio reveló dos rangos de temperatura distintos basados en la masa de los pares dielectrónicos. En el rango de baja masa, la temperatura promedio fue de aproximadamente 2,01 billones de Kelvin, alineándose con las predicciones para la transición del plasma a la materia ordinaria. Los pares de mayor masa indicaron una fase anterior y más caliente de alrededor de 3,25 billones de Kelvin.
"Los pares de leptones térmicos, o emisiones de electrones y positrones producidas a lo largo de la vida del QGP, emergieron como candidatos ideales", explicó Geurts. "A diferencia de los quarks, que pueden interactuar con el plasma, estos leptones lo atraviesan en gran medida ilesos, llevando información no distorsionada sobre su entorno."
Este trabajo avanza en el mapeo del diagrama de fases de la QCD, que describe el comportamiento de la materia bajo calor y densidad extremos, similar a las condiciones en el universo temprano y las estrellas de neutrones. Los colaboradores incluyen al ex postdoctorado de Rice Zaochen Ye, al alumno Yiding Han y al estudiante de posgrado Chenliang Jin. La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE.UU.
"Este avance significa más que una medición; anuncia una nueva era en la exploración de la frontera más extrema de la materia", concluyó Geurts.