Физичари хватају трилион степени топлоте из примордијалне плазме Великог праска
Тим који предводи физичар Универзитета Рајс Франк Геуртс постигао је велику прекретницу у физици честица мерењем температуре кварк-глуонске плазме (КГП) у различитим фазама њене еволуције. Ова плазма је облик материје за коју се сматра да је испунила универзум само милионити део секунде након великог праска, догађаја који обележава настанак и ширење универзума. Резултати, објављени 14. октобра године Натуре Цоммуницатионснуде редак поглед на екстремне услове који су обликовали рани космос.
Праћење топлоте у раном универзуму
Мерење температуре у срединама у којима ниједан инструмент не може физички да преживи дуго је изазивало научнике. Тим је ово превазишао проучавањем термалних парова електрон-позитрон који се ослобађају током судара атомских језгара великом брзином у Релативистичком сударачу тешких јона (РХИЦ) у Националној лабораторији Брукхејвен у Њујорку. Ове емисије су омогућиле начин да се реконструише колико је плазма постала врућа док се формирала и хладила.
Раније процене температуре биле су несигурне, често искривљене кретањем унутар плазме које је створило помаке сличне Доплеру или конфузијом око тога да ли очитавања одражавају саму плазму или касније фазе њеног распада.
„Наша мерења откључавају термални отисак КГП-а“, рекао је Гертс, професор физике и астрономије и ко-портпарол РХИЦ СТАР сарадње. „Праћење емисије дилептона нам је омогућило да утврдимо колико је плазма била врућа и када је почела да се хлади, пружајући директан поглед на услове само микросекунде након настанка универзума.
Отварање новог термалног прозора
Кварк-глуонска плазма је јединствено стање материје где основни градивни блокови протона и неутрона, кваркова и глуона, постоје слободно, а не затворени унутар честица. Његово понашање скоро у потпуности зависи од температуре. До сада, научницима су недостајали алати да завире у овај врући систем који се брзо шири без искривљавања резултата. Пошто је КГП достигао температуру од неколико трилиона Келвина, изазов је био пронаћи „термометар“ способан да га посматра без сметњи.
„Термални лептонски парови, или емисије електрон-позитрона произведене током животног века КГП-а, појавиле су се као идеални кандидати“, рекао је Геуртс. „За разлику од кваркова, који могу да ступе у интеракцију са плазмом, ови лептони пролазе кроз њу углавном неоштећени, носећи неискривљене информације о свом окружењу.
Откривање ових пролазних парова међу безброј других честица захтевало је изузетно осетљиву опрему и прецизну калибрацију.
Експериментални пробој у РХИЦ-у
Да би ово постигао, тим је побољшао РХИЦ-ове детекторе како би изоловао парове лептона ниског момента и смањио позадинску буку. Они су тестирали идеју да расподела енергије ових парова може директно да открије температуру плазме. Приступ, познат као пенетрирајући термометар, интегрише емисије током читавог животног века КГП-а да би се добио просечни топлотни профил.
Упркос изазовима у разликовању правих топлотних сигнала од неповезаних процеса, истраживачи су добили веома прецизна мерења.
Откривене различите температурне фазе
Резултати су показали два јасна температурна опсега, у зависности од масе емитованих диелектронских парова. У опсегу малих маса, просечна температура је достигла око 2,01 трилиона Келвина, што је у складу са теоријским предвиђањима и температурама уоченим када плазма прелази у обичну материју. У опсегу веће масе, просечна температура је била око 3,25 трилиона Келвина, што представља ранију, топлију фазу плазме.
Овај контраст сугерише да се диелектрони мале масе производе касније у еволуцији плазме, док они велике масе потичу из њеног почетног, енергичнијег стадијума.
„Овај рад извештава о просечним температурама КГП-а у две различите фазе еволуције и вишеструким барионским хемијским потенцијалима, означавајући значајан напредак у мапирању термодинамичких својстава КГП-а“, рекао је Геуртс.
Мапирање материје у екстремним условима
Прецизним мерењем температуре КГП-а у различитим тачкама његове еволуције, научници добијају кључне експерименталне податке потребне за комплетирање „КЦД фазног дијаграма“, који је од суштинског значаја за мапирање како се фундаментална материја понаша под огромном топлотом и густином, слично условима који су постојали неколико тренутака након Великог праска и присутни су у појавама космичких звезда попут неутрона.
„Наоружани овом термалном мапом, истраживачи сада могу да побољшају своје разумевање животног века КГП-а и његових транспортних својстава, побољшавајући тако наше разумевање раног универзума“, рекао је Геуртс. „Овај напредак означава више од мерења; он најављује нову еру у истраживању најекстремније границе материје.
Сарадници студије су бивши постдокторски сарадник Рице Заоцхен Ие (сада на Соутх Цхина Нормал Университи), Рице алумнус Иидинг Хан (сада на Баилор Цоллеге оф Медицине) и садашњи Рице дипломирани студент Цхенлианг Јин. Рад је подржала Канцеларија за науку америчког Министарства енергетике.
