Peneliti di Rice University telah menangkap profil suhu plasma quark-gluon, materi super panas dari fajar alam semesta. Dengan menganalisis emisi elektron-positron dari tabrakan atom, mereka menentukan suhu yang tepat pada tahap evolusi yang berbeda. Temuan, yang diterbitkan di Nature Communications, menyempurnakan pemahaman tentang kondisi kosmik awal.
Sebuah tim yang dipimpin oleh fisikawan Rice University Frank Geurts mencapai terobosan dalam fisika partikel dengan mengukur suhu plasma quark-gluon (QGP) pada berbagai tahap evolusinya. Plasma ini, keadaan materi di mana quark dan gluon ada secara bebas, diyakini telah mengisi alam semesta hanya sepersekian juta detik setelah Big Bang. Hasilnya diterbitkan pada 14 Oktober di Nature Communications.
Untuk mengatasi tantangan mengukur suhu di lingkungan yang terlalu ekstrem untuk instrumen, para peneliti mempelajari pasangan termal elektron-positron yang dihasilkan selama tabrakan berkecepatan tinggi nuklei atom di Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Brookhaven National Laboratory di New York. Pasangan ini, atau dilepton, melewati plasma tanpa distorsi, berfungsi sebagai termometer yang andal.
"Pengukuran kami membuka sidik jari termal QGP," kata Geurts, profesor fisika dan astronomi serta juru bicara bersama kolaborasi RHIC STAR. "Melacak emisi dilepton telah memungkinkan kami untuk menentukan seberapa panas plasma itu dan kapan mulai mendingin, memberikan pandangan langsung tentang kondisi hanya mikrodetes setelah permulaan alam semesta."
Studi ini mengungkap dua rentang suhu yang berbeda berdasarkan massa pasangan dielektron. Dalam rentang massa rendah, suhu rata-rata sekitar 2,01 triliun Kelvin, selaras dengan prediksi transisi plasma ke materi biasa. Pasangan massa lebih tinggi menunjukkan fase lebih awal dan lebih panas sekitar 3,25 triliun Kelvin.
"Pasangan lepton termal, atau emisi elektron-positron yang dihasilkan sepanjang masa hidup QGP, muncul sebagai kandidat ideal," jelas Geurts. "Tidak seperti quark, yang dapat berinteraksi dengan plasma, lepton ini melewatinya sebagian besar tanpa cedera, membawa informasi yang tidak terdistorsi tentang lingkungannya."
Pekerjaan ini memajukan pemetaan diagram fase QCD, yang menggambarkan perilaku materi di bawah panas dan kepadatan ekstrem, mirip dengan kondisi di alam semesta awal dan bintang neutron. Kontributor termasuk mantan rekan pasca-doktorat Rice Zaochen Ye, alumni Yiding Han, dan mahasiswa pascasarjana Chenliang Jin. Penelitian ini didukung oleh Kantor Ilmu Departemen Energi AS.
"Kemajuan ini berarti lebih dari sekadar pengukuran; itu menandai era baru dalam menjelajahi perbatasan paling ekstrem materi," simpulkan Geurts.