Uma equipe liderada pelo físico da Universidade Rice, Frank Geurts, alcançou um marco importante na física de partículas ao medir a temperatura do plasma de quark-gluon (QGP) em diferentes estágios de sua evolução. Este plasma é uma forma de matéria que se pensa ter preenchido o universo apenas um milionésimo de segundo após o Big Bang, que marcou a origem e a expansão do universo. Resultados publicados em 14 de outubro comunicações da naturezafornece uma rara visão das condições extremas que moldaram o universo primitivo.
Rastreando o calor do universo primitivo
Medir a temperatura em ambientes onde nenhum instrumento consegue sobreviver tem sido um desafio para os cientistas. A equipe superou esse problema estudando pares elétron-pósitron quentes liberados durante colisões de alta velocidade de núcleos atômicos no Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York. Essas emissões fornecem uma maneira de reconstruir o calor do plasma à medida que ele se formava e esfriava.
As estimativas iniciais de temperatura são incertas, muitas vezes distorcidas pelo movimento dentro do plasma que cria mudanças de frequência semelhantes às do Doppler, ou confusas pelo fato de as leituras refletirem o próprio plasma ou estágios posteriores de seu decaimento.
“Nossas medições revelam a impressão digital térmica do QGP”, disse Geurts, professor de física e astronomia e co-porta-voz da colaboração RHIC STAR. “O rastreamento da emissão de diléptons nos permite determinar quão quente estava o plasma e quando começou a esfriar, fornecendo uma visão direta do que estava acontecendo microssegundos após o nascimento do universo.”
Abra uma nova janela quente
O plasma de quark-glúons é um estado único da matéria no qual os blocos de construção de prótons e nêutrons, quarks e glúons existem livremente, em vez de ficarem confinados dentro de partículas. Seu comportamento depende quase inteiramente da temperatura. Até agora, os cientistas não tinham as ferramentas para observar este sistema quente e em rápida expansão sem distorcer os resultados. Com as temperaturas no QGP atingindo trilhões de Kelvin, o desafio é encontrar um “termômetro” que possa observá-lo sem interferência.
“Pares de léptons térmicos, ou emissões elétron-pósitron produzidas ao longo da vida do QGP, são candidatos ideais”, disse Geertz. “Ao contrário dos quarks, que podem interagir com o plasma, estes leptões passam através do plasma essencialmente ilesos, transportando informação não distorcida sobre o seu ambiente.”
A detecção desses pares fugazes de partículas, entre inúmeros outros, requer equipamento extremamente sensível e calibração meticulosa.
Avanço Experimental do RHIC
Para atingir esse objetivo, a equipe modificou os detectores do RHIC para isolar pares de léptons de baixo momento e reduzir o ruído de fundo. Eles testaram a ideia de que a distribuição de energia desses pares poderia revelar diretamente a temperatura plasmática. Este método, conhecido como termometria de penetração, integra as emissões ao longo de todo o ciclo de vida do QGP para produzir uma distribuição média de calor.
Apesar dos desafios em distinguir sinais de calor verdadeiros de processos irrelevantes, os pesquisadores obtiveram medições altamente precisas.
Diferentes estágios de temperatura revelados
Os resultados mostram duas faixas claras de temperatura, dependendo da massa do par duplo de elétrons emitido. Na faixa de baixa massa, a temperatura média atinge cerca de 2,01 trilhões de Kelvin, consistente com as previsões teóricas e as temperaturas observadas quando o plasma se transforma em matéria comum. Na faixa de massa mais elevada, a temperatura média é de cerca de 3,25 trilhões de Kelvin, representando um estágio anterior e mais quente do plasma.
Esta comparação sugere que os elétrons gêmeos de baixa massa foram produzidos mais tarde na evolução do plasma, enquanto os elétrons gêmeos de alta massa vieram de seu estágio inicial, mais energético.
“Este trabalho relata a temperatura média e os múltiplos potenciais químicos bárions do QGP em dois estágios diferentes de evolução, marcando um progresso significativo no mapeamento das propriedades termodinâmicas do QGP”, disse Geurts.
Levantamento e mapeamento de problemas sob condições extremas
Ao medir com precisão a temperatura em diferentes pontos da evolução do QGP, os cientistas obtiveram dados experimentais importantes necessários para completar o “diagrama de fases QCD”, que é crítico para mapear o comportamento da matéria elementar sob enormes calor e densidade, semelhantes às condições que existiram após o Big Bang e em fenómenos cósmicos como as estrelas de neutrões.
“Com este mapa de calor, os investigadores podem agora desenvolver uma compreensão mais profunda do tempo de vida do QGP e das suas propriedades de transporte, melhorando assim a nossa compreensão do universo primitivo,” disse Geertz. “Este avanço significa mais do que apenas uma medição; ele anuncia uma nova era de exploração das fronteiras mais extremas da matéria.”
Os colaboradores do estudo incluem o ex-pós-doutorado da Rice, Ye Chenchen (agora na South China Normal University), o ex-aluno da Rice, Han Yiding (agora na Baylor College of Medicine), e o atual estudante de graduação da Rice, Jin Chenliang. Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
