Uma equipe liderada pelo físico da Rice University, Frank Geerts, alcançou um marco importante na física de partículas ao medir a temperatura de um plasma de quark-glúon (QGP) em vários estágios de sua evolução. Este plasma é a forma de matéria que se pensa ter preenchido o universo apenas um milionésimo de segundo após o Big Bang, o evento que marca a origem e expansão do universo. Resultados, divulgados em 14 de outubro Comunicação da naturezaA forma do cosmos primitivo oferece uma visão rara das condições extremas.
Rastreando o calor no universo primitivo
Medir temperaturas em ambientes onde os instrumentos não conseguem sobreviver fisicamente há muito desafia os cientistas. A equipe superou isso estudando pares térmicos de elétron-pósitron liberados durante colisões de alta velocidade de núcleos atômicos no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York. Estas emissões fornecem uma forma de reconstruir o quão quente o plasma se torna à medida que se forma e arrefece.
As estimativas anteriores de temperatura eram incertas, muitas vezes distorcidas por movimentos dentro do plasma que produziam alterações semelhantes às do Doppler, ou por confusão com as leituras que reflectiam o próprio plasma ou fases subsequentes do seu decaimento.
“Nossas medições revelam a impressão digital térmica do QGP”, disse Geurts, professor de física e astronomia e codiretor da colaboração RHIC STAR. “Rastrear a emissão de diléptons permitiu-nos determinar quão quente estava o plasma e quando começou a arrefecer, fornecendo uma visão direta das condições apenas microssegundos após o início do Universo.”
Uma nova janela térmica está se abrindo
Um plasma de quark-glúon é um estado único da matéria no qual os blocos de construção básicos de prótons e nêutrons, quarks e glúons existem independentemente, em vez de estarem confinados dentro de partículas. Seu comportamento depende quase inteiramente da temperatura. Até agora, os cientistas não dispunham de ferramentas para examinar estes sistemas quentes e em rápida expansão sem distorcer os resultados. Com o QGP atingindo temperaturas de vários trilhões de Kelvin, o desafio era encontrar um “termômetro” capaz de observá-lo sem interferência.
“Pares de léptons térmicos, ou emissões elétron-pósitron produzidas ao longo da vida do QGP, surgiram como candidatos ideais”, disse Geurts. “Ao contrário dos quarks, que podem interagir com o plasma, estes leptões passam através dele praticamente intactos, transportando informação inalterada sobre o seu ambiente.”
A detecção deste par transitório entre inúmeras outras partículas requer equipamento altamente sensível e calibração precisa.
Sucesso experimental no RHIC
Para conseguir isso, 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 do plasma. O método, conhecido como termômetro de penetração, integra as emissões durante toda a vida útil do QGP para produzir um perfil térmico médio.
Apesar do desafio de distinguir sinais térmicos verdadeiros de processos não relacionados, os pesquisadores obtiveram medições altamente precisas.
Estágios de temperatura distintos são revelados
Os resultados mostram duas faixas de temperatura distintas dependendo da massa do par dielétron emitido. Na faixa de baixa massa, a temperatura média atinge cerca de 2,01 trilhões de Kelvin, o que é consistente com as previsões teóricas e com a temperatura observada quando o plasma se transforma em matéria normal. Na faixa de alta massa, a temperatura média foi de cerca de 3,25 trilhões de Kelvin, representando uma fase anterior e mais quente do plasma.
Este contraste sugere que os diélétrons de baixa massa são produzidos após a evolução do plasma, enquanto os de alta massa vêm de suas fases anteriores e mais energéticas.
“Este trabalho marca um avanço significativo no mapeamento das propriedades termodinâmicas dos QGPs, relatando a temperatura média do QGP em dois estágios distintos de evolução e múltiplos potenciais químicos bariônicos”, disse Geurts.
Mapeando a matéria sob condições extremas
Ao medir com precisão a temperatura do QGP em diferentes pontos da sua evolução, os cientistas obtiveram os dados experimentais cruciais necessários para completar o “diagrama de fases QCD”, que é essencial para mapear como a matéria elementar se comporta sob calor e densidade extremos, semelhantes às condições que existiam momentos após o Big Bang e presentes em estrelas cósmicas como a gigante Neronaphane.
“Armados com este mapa térmico, os investigadores podem agora refinar a sua compreensão do tempo de vida do QGP e das suas propriedades de transporte, melhorando assim a nossa compreensão do Universo primordial,” disse Geurts. “Esta descoberta significa mais do que uma medição; inaugura uma nova era na exploração das fronteiras mais extremas da matéria.”
Os colaboradores do estudo incluem o ex-bolsista de pós-doutorado da Rice, Zhaochen Ye (agora na South China Normal University), o ex-aluno da Rice, Yiding Han (agora na Baylor College of Medicine), e o atual estudante de pós-graduação da Rice, Chenliang Jin. O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
