ライス大学の研究者らが、宇宙の夜明けの超高温物質であるクォーク・グルーオンプラズマの温度プロファイルを捉えた。原子衝突からの電子・陽電子放出を分析し、異なる進化段階での正確な温度を決定した。この発見はNature Communicationsに掲載され、初期宇宙条件の理解を洗練する。
ライス大学の物理学者フランク・ゲールツ氏率いるチームは、粒子物理学の画期的な成果を上げ、クォーク・グルーオンプラズマ（QGP）の進化のさまざまな段階での温度を測定した。このプラズマは、クォークとグルーオンが自由に存在する物質の状態で、ビッグバン直後の数百万分の1秒に宇宙を満たしていたと考えられている。結果は10月14日にNature Communicationsに掲載された。
機器では測定が不可能な極端な環境での温度測定の課題を克服するため、研究者らはニューヨークのブルックヘブン国立研究所にある相対論的重イオン衝突機（RHIC）での原子核の高速度衝突中に生成される熱的電子・陽電子対を研究した。これらの対、すなわちジレプトンは、プラズマを歪みなく通過し、信頼できる温度計として機能する。
「私たちの測定はQGPの熱的指紋を解き放つ」と、物理学および天文学の教授でRHIC STARコラボレーションの共同スポークスパーソンであるゲールツ氏は述べた。「ジレプトン放出を追跡することで、プラズマがどれほど熱く、いつ冷却を開始したかを決定でき、宇宙の起源直後のマイクロ秒単位の条件を直接観察できる。」
この研究は、ジエレクトロン対の質量に基づく2つの異なる温度範囲を明らかにした。低質量範囲では、平均温度は約2.01兆ケルビンで、プラズマが通常の物質へ移行する予測と一致する。高質量の対は、より早い高温段階を示し、約3.25兆ケルビンであった。
「QGPの生涯を通じて生成される熱的レプトン対、すなわち電子・陽電子放出は理想的な候補として浮上した」とゲールツ氏は説明した。「クォークとは異なり、これらのレプトンはプラズマと相互作用せず、ほとんど無傷で通過し、環境に関する歪みのない情報を運ぶ。」
この研究は、極端な熱と密度下での物質の挙動を記述するQCD相図のマッピングを進展させ、初期宇宙や中性子星の条件に類似する。貢献者には、元ライス大学ポスドクのZaochen Ye、卒業生のYiding Han、大学院生のChenliang Jinが含まれる。研究は米国エネルギー省科学局の支援を受けた。
「この進展は単なる測定以上の意義を持ち、物質の最も極端な最前線を探求する新時代を告げる」とゲールツ氏は結論づけた。