Физики впервые сумели измерить температуру кварк-глюонной плазмы (КГП) на различных этапах ее эволюции. Это достижение дает представления о состоянии материи, в котором, как считается, она существовала в первые микросекунды после Большого взрыва.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, решает давнюю проблему измерения температуры материи в экстремальных условиях, когда невозможен прямой доступ. Ученые сумели расшифровать тепловой профиль КГП по косвенным признакам — позитрон-электронным парам, рождающимся в результате теплового излучения в ходе ультрарелятивистских столкновений тяжелых ионов на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории (RHIC).
Такой способ пробовали и ранее, но сталкивались с рядом трудностей, например, неясностью, относится ли измеренная температура именно к фазе КГП или искажена допплеровским эффектом из-за огромных скоростей расширения плазмы.
«Наши измерения раскрывают тепловой след КГП. Отслеживание излучения дилептонов позволило нам определить, насколько горячей была плазма и когда она начала остывать, предоставив прямой взгляд на условия, существовавшие всего через микросекунды после зарождения Вселенной», — сказал профессор Фрэнк Гёртс из Университета Райса, сопредседатель коллаборации STAR на RHIC.
Тепловое окно в ядерную материю
Свойства КГП, состояния, в котором кварки и глюоны не связаны, сильно зависят от ее температуры. Предыдущим методам не хватало разрешающей способности или проникающей силы, чтобы измерить внутренние тепловые условия КГП, не подвергаясь влиянию ее эволюции. Поскольку ожидалось, что температура превышает триллионы кельвинов, нужен был бесконтактный термометр для получения данных в реальном времени.
«Тепловые пары лептонов, то есть пары электрон-позитрон, рождающиеся на протяжении всего времени жизни КГП, оказались идеальными кандидатами, — пояснил Гёртс. — В отличие от кварков, которые могут взаимодействовать с плазмой, лептоны проходят сквозь нее практически без искажений, неся чистую информацию о своей среде».
Однако обнаружение этих редких пар в море частиц, рождающихся при столкновении, потребовало беспрецедентной чувствительности и точности данных, добавил он.
Экспериментальный прорыв
Исследователи использовали усовершенствованную аппаратуру на RHIC, калибруя свои системы для выделения пар лептонов с низким импульсом.
Они проверили гипотезу о том, что распределение по энергии этих пар даст прямую меру температуры КГП. Этот «проникающий термометр» собирает данные об излучении за все время жизни плазмы, составляя усредненный температурный профиль.
Научной группе удалось провести точные измерения, несмотря на технологические ограничения, связанные с объемом статистических данных, и трудности в отделении фоновых процессов, которые могли имитировать тепловой сигнал.
Ключевые выводы и последствия
Исследование выявило две различные средние температуры в зависимости от диапазона масс позитрон-электронных пар.
Более низкая температура около 2,01 триллиона кельвинов в области низких масс. Это значение согласуется с теоретическими моделями и с температурой «химического замораживания», полученной другими методами. Значительно более высокая температура около 3,25 триллиона кельвинов в области больших масс.
Эта разница указывает на то, что тепловое излучение в области низких масс, которое рождает дилептоны, происходит в основном позже, вблизи фазового перехода КГП в адронную материю. В то же время, пары из области высоких масс рождаются на более ранней, горячей стадии эволюции КГП.
«Эта работа впервые сообщает о средних температурах КГП на двух различных стадиях ее эволюции и при нескольких значениях барионного химического потенциала, что знаменует собой значительный прорыв в определении термодинамических свойств КГП», — заявил Гёртс.
Точно измерив температуру КГП в разные моменты ее эволюции, ученые получают важные экспериментальные данные, необходимые для завершения построения фазовой диаграммы квантовой хромодинамики, которая описывает поведение фундаментальной материи в условиях чудовищных температур и плотностей, аналогичных тем, что были в первые мгновения после Большого взрыва и существуют в таких космических объектах, как нейтронные звезды.
«Вооружившись этой тепловой картой, исследователи теперь могут уточнить свое понимание времени жизни КГП и ее транспортных свойств, улучшив тем самым наше понимание ранней Вселенной», — заключил профессор.
Физики выяснили, как вела себя материя в первые мгновения после Большого взрыва
Открытие пары топ-кварков дает важную подсказку о процессе рождения Вселенной
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram
