Des chercheurs de la Rice University ont capturé le profil de température du plasma quark-gluon, la matière ultra-chaude de l'aube de l'univers. En analysant les émissions d'électrons-positrons issues de collisions atomiques, ils ont déterminé des températures précises à différents stades évolutifs. Les résultats, publiés dans Nature Communications, affinent la compréhension des conditions cosmiques primitives.
Une équipe dirigée par le physicien de la Rice University Frank Geurts a réalisé une avancée en physique des particules en mesurant la température du plasma quark-gluon (QGP) à diverses étapes de son évolution. Ce plasma, un état de la matière où les quarks et les gluons existent librement, est censé avoir rempli l'univers seulement des millièmes de seconde après le Big Bang. Les résultats ont été publiés le 14 octobre dans Nature Communications.
Pour surmonter le défi de mesurer des températures dans des environnements trop extrêmes pour les instruments, les chercheurs ont étudié des paires thermiques électron-positron produites lors de collisions à haute vitesse de noyaux atomiques au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) du Brookhaven National Laboratory à New York. Ces paires, ou dileptons, traversent le plasma sans distorsion, servant de thermomètre fiable.
"Nos mesures déverrouillent l'empreinte thermique du QGP", a déclaré Geurts, professeur de physique et d'astronomie et co-porte-parole de la collaboration RHIC STAR. "Suivre les émissions de dileptons nous a permis de déterminer à quel point le plasma était chaud et quand il a commencé à se refroidir, offrant une vue directe des conditions seulement des microsecondes après l'origine de l'univers."
L'étude a révélé deux plages de température distinctes basées sur la masse des paires dielectroniques. Dans la plage de faible masse, la température moyenne était d'environ 2,01 billions de Kelvin, en accord avec les prédictions pour la transition du plasma vers la matière ordinaire. Les paires de masse plus élevée indiquaient une phase antérieure et plus chaude d'environ 3,25 billions de Kelvin.
"Les paires de leptons thermiques, ou émissions d'électrons-positrons produites tout au long de la vie du QGP, se sont révélées être des candidats idéaux", a expliqué Geurts. "Contrairement aux quarks, qui peuvent interagir avec le plasma, ces leptons le traversent en grande partie indemnes, transportant des informations non déformées sur leur environnement."
Ce travail fait progresser la cartographie du diagramme de phases de la QCD, qui décrit le comportement de la matière sous des chaleurs et densités extrêmes, similaires aux conditions dans l'univers primitif et les étoiles à neutrons. Les contributeurs incluent l'ancien post-doctorant de Rice Zaochen Ye, l'alumnus Yiding Han et l'étudiant diplômé Chenliang Jin. La recherche a été soutenue par le Bureau des Sciences du Département de l'Énergie des États-Unis.
"Cette avancée signifie plus qu'une mesure ; elle annonce une nouvelle ère dans l'exploration de la frontière la plus extrême de la matière", a conclu Geurts.