Pesquisadores da Rice University capturaram o perfil de temperatura do plasma de quarks e glúons, a matéria ultracalorífica do alvorecer do universo. Ao analisar emissões de elétrons-pósitrons de colisões atômicas, eles determinaram temperaturas precisas em diferentes estágios evolutivos. Os achados, publicados na Nature Communications, refinam o entendimento das condições cósmicas iniciais.
Uma equipe liderada pelo físico da Rice University Frank Geurts alcançou um avanço na física de partículas ao medir a temperatura do plasma de quarks e glúons (QGP) em várias etapas de sua evolução. Esse plasma, um estado da matéria onde quarks e glúons existem livremente, acredita-se que tenha preenchido o universo apenas milionésimos de segundo após o Big Bang. Os resultados foram publicados em 14 de outubro na Nature Communications.
Para superar o desafio de medir temperaturas em ambientes extremos demais para instrumentos, os pesquisadores estudaram pares térmicos de elétrons-pósitrons produzidos durante colisões de alta velocidade de núcleos atômicos no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) no Brookhaven National Laboratory, em Nova York. Esses pares, ou dileptons, atravessam o plasma sem distorção, servindo como um termômetro confiável.
"Nossas medições desbloqueiam a impressão digital térmica do QGP", disse Geurts, professor de física e astronomia e co-porta-voz da colaboração RHIC STAR. "Rastrear emissões de dileptons nos permitiu determinar quão quente estava o plasma e quando começou a esfriar, fornecendo uma visão direta das condições apenas microssegundos após o início do universo."
O estudo revelou dois intervalos distintos de temperatura com base na massa dos pares dieletrônicos. No intervalo de baixa massa, a temperatura média foi de cerca de 2,01 trilhão de Kelvin, alinhando-se com as previsões para a transição do plasma para matéria ordinária. Pares de maior massa indicaram uma fase anterior e mais quente de cerca de 3,25 trilhão de Kelvin.
"Pares de léptons térmicos, ou emissões de elétrons-pósitrons produzidas ao longo da vida do QGP, emergiram como candidatos ideais", explicou Geurts. "Diferentemente dos quarks, que podem interagir com o plasma, esses léptons o atravessam em grande parte ilesos, carregando informações não distorcidas sobre seu ambiente."
Este trabalho avança o mapeamento do diagrama de fases da QCD, que descreve o comportamento da matéria sob calor e densidade extremos, semelhante às condições no universo primordial e em estrelas de nêutrons. Colaboradores incluem o ex-pós-doutorando da Rice Zaochen Ye, o alumni Yiding Han e o estudante de pós-graduação Chenliang Jin. A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
"Este avanço significa mais do que uma medição; ele anuncia uma nova era na exploração da fronteira mais extrema da matéria", concluiu Geurts.