Forskare vid Rice University har fångat temperaturprofilen för kvark-gluonplasma, den ultravarma materian från universums gryning. Genom att analysera elektron-positronutsläpp från atomkollisioner bestämde de precisa temperaturer vid olika evolutionära stadier. Resultaten, publicerade i Nature Communications, förfinar förståelsen av tidiga kosmiska förhållanden.
Ett team ledd av fysikern vid Rice University Frank Geurts uppnådde ett genombrott inom partikelfysik genom att mäta temperaturen i kvark-gluonplasma (QGP) vid olika stadier av dess utveckling. Detta plasma, ett tillstånd av materia där kvarkar och gluoner existerar fritt, tros ha fyllt universum bara miljondelar av en sekund efter Big Bang. Resultaten publicerades den 14 oktober i Nature Communications.
För att övervinna utmaningen med att mäta temperaturer i miljöer som är för extrema för instrument studerade forskarna termiska elektron-positronpar som produceras under höghastighetskollisioner av atomkärnor vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven National Laboratory i New York. Dessa par, eller dileptoner, passerar genom plasmat utan förvrängning och fungerar som en pålitlig termometer.
"Våra mätningar låser upp QGP:s termiska fingeravtryck", sa Geurts, professor i fysik och astronomi samt medporttalare för RHIC STAR-samarbetet. "Att spåra dileptonutsläpp har gjort det möjligt för oss att bestämma hur varmt plasmat var och när det började svalna, vilket ger en direkt vy av förhållandena bara mikrosekunder efter universums uppkomst."
Studien avslöjade två distinkta temperaturintervall baserat på massan hos dielektronparen. I det lågmassiva intervallet var den genomsnittliga temperaturen cirka 2,01 biljoner Kelvin, i linje med förutsägelser för plasmats övergång till vanlig materia. Högmassiva par indikerade en tidigare, varmare fas på cirka 3,25 biljoner Kelvin.
"Termiska leptonpar, eller elektron-positronutsläpp som produceras genom hela QGP:s livslängd, framträdde som idealiska kandidater", förklarade Geurts. "Till skillnad från kvarkar, som kan interagera med plasmat, passerar dessa leptoner genom det till stor del opåverkade och bär med sig icke-förvrängd information om sin omgivning."
Detta arbete främjar kartläggningen av QCD-fasdagrammet, som beskriver materiell beteende under extrema värme- och densitetsförhållanden, liknande de i det tidiga universum och neutronstjärnor. Bidragsgivare inkluderar tidigare Rice-postdoktorand Zaochen Ye, alumnen Yiding Han och doktorand Chenliang Jin. Forskningen stöddes av U.S. Department of Energy Office of Science.
"Denna framsteg innebär mer än en mätning; det inleder en ny era i utforskningen av materiell mest extrema gräns", avslutade Geurts.