Группа исследователей под руководством физика из Университета Райса Фрэнка Герца успешно измерила температуру кварк-глюонной плазмы (QGP) на различных этапах её эволюции. Это даёт важное представление о состоянии материи, которое, как считается, существовало всего через несколько микросекунд после Большого взрыва — научной теории, описывающей происхождение и эволюцию Вселенной.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Исследование решает давнюю задачу измерения температуры материи в экстремальных условиях, когда прямой доступ невозможен.
Для этого исследователи использовали тепловые электрон-позитронные пары, испускаемые во время ультрарелятивистских столкновений тяжёлых ионов в Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Так учёные расшифровали тепловой профиль QGP.
Ранее измерения температуры существовали, но их осложняло несколько факторов, например, принадлежность к фазе QGP или искажение из-за эффекта Доплера от больших полей скоростей, которые создавали эффективные температуры.
«Наши измерения открывают тепловой отпечаток QGP», — сказал Герц, профессор физики и астрономии и соруководитель коллаборации RHIC STAR. «Отслеживание выбросов дилептонов позволило нам определить, насколько горячей была плазма и когда она начала остывать, что даёт непосредственное представление об условиях всего через несколько микросекунд после зарождения Вселенной».
Свойства QGP, бесконфликтного состояния кварков и глюонов, сильно зависят от температуры. Предыдущие методы не обладали необходимой разрешающей способностью или проникающей способностью для измерения внутренних тепловых условий QGP без влияния эволюции этой быстро расширяющейся системы. При температурах, которые, как ожидается, превысят триллионы кельвинов, учёным понадобился ненавязчивый термометр для фиксации значений в реальном времени.
«Тепловые лептонные пары, или испускаемые на протяжении всей жизни QGP электрон-позитронные излучения, стали идеальными кандидатами», — сказал Герц. «В отличие от кварков, которые могут взаимодействовать с плазмой, эти лептоны проходят через неё практически невредимыми, неся с собой неискажённую информацию об окружающей среде».
Однако для обнаружения этих редких пар среди моря обломков частиц потребовалась беспрецедентная чувствительность и точность данных. Исследователи использовали усовершенствованный детектор в RHIC, калибруя свои системы для выделения лептонов с низкой импульсом.
Они проверили гипотезу о том, что распределение энергии этих пар будет напрямую измерять температуру QGP. Этот метод, называемый проникающим термометром в теоретических обсуждениях, объединяет данные о выбросах за время жизни плазмы, создавая средний профиль температуры.
Исследовательская группа достигла точных измерений, несмотря на технологические ограничения статистических данных и трудности с выделением фоновых процессов, которые могли имитировать тепловые сигналы.
Исследование выявило две различные средние температуры в зависимости от диапазона масс диэлектронных пар: более низкую температуру примерно 2,01 триллиона кельвинов в области низких масс, предсказанную теоретическими моделями, и значительно более высокую температуру около 3,25 триллиона кельвинов в области более высоких масс.
Это различие указывает на то, что тепловое излучение из диапазона низких масс, которое создаёт эти диэлектроны, преимущественно испускается позже, вблизи фазового перехода. В отличие от них, излучение из диапазона более высоких масс исходит из более ранней, более горячей стадии эволюции QGP.
«Эта работа сообщает о средних температурах QGP на двух различных этапах эволюции и множественных барионных химических потенциалах, что является значительным шагом вперёд в составлении карты термодинамических свойств QGP», — сказал Герц.
Точное измерение температуры QGP в разных точках её эволюции даёт учёным важные экспериментальные данные, необходимые для заполнения «фазовой диаграммы КХД», которая важна для картирования поведения фундаментальной материи при огромной жаре и плотности, подобно условиям, которые существовали через несколько мгновений после Большого взрыва, и присутствуют в таких космических явлениях, как нейтронные звёзды.
«Вооружившись этой тепловой картой, исследователи теперь могут уточнить своё понимание времени жизни QGP и её транспортных свойств, тем самым улучшая наше понимание ранней Вселенной», — сказал Герц. «Этот прогресс означает больше, чем просто измерение; он знаменует новую эру в исследовании самых экстремальных границ материи».
Предоставлено Университетом Райса.