Команда физиков под руководством Фрэнка Гертса из Университета Райса достигла значительного прорыва в физике элементарных частиц. Им впервые удалось измерить температуру кварк-глюонной плазмы (КГП) на различных этапах её эволюции. КГП – это уникальное состояние материи, которое, как считается, заполняло Вселенную всего через миллионные доли секунды после Большого взрыва, знаменующего её зарождение и расширение. Результаты этого исследования, опубликованные 14 октября в журнале Nature Communications, предоставляют редкую возможность заглянуть в экстремальные условия, сформировавшие ранний космос.
Измерение температуры в средах, где не может выжить ни один физический прибор, долгое время оставалось серьёзной проблемой для учёных. Команда преодолела это препятствие, исследуя термические электрон-позитронные пары, которые высвобождаются во время высокоскоростных столкновений атомных ядер. Эти эксперименты проводились на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Изучение этих эмиссий позволило восстановить температурный режим плазмы по мере её образования и охлаждения.
Предыдущие оценки температуры были неточными, часто искажались из-за движения внутри плазмы, вызывающего доплеровские смещения, или из-за неясности, что именно отражали измерения – саму плазму или более поздние стадии её распада. «Наши измерения раскрывают температурную «отметину» КГП, – объясняет Гертс, профессор физики и астрономии, а также соруководитель коллаборации STAR на RHIC. – Отслеживание дилептонных эмиссий позволило нам определить, насколько горячей была плазма и когда она начала охлаждаться, предоставляя прямой взгляд на условия, существовавшие всего через микросекунды после зарождения Вселенной».
Кварк-глюонная плазма – это уникальное состояние материи, где основные строительные блоки протонов и нейтронов – кварки и глюоны – существуют в свободном состоянии, а не заключены внутри составных частиц. Её поведение практически полностью зависит от температуры. До сих пор учёным не хватало инструментов, чтобы заглянуть в эту быстро расширяющуюся горячую систему, не искажая результаты. При температурах КГП, достигающих нескольких триллионов Кельвинов, главной задачей было найти «термометр», способный наблюдать за плазмой без помех.
«Термические лептонные пары, или электрон-позитронные эмиссии, образующиеся на протяжении всего существования КГП, оказались идеальными кандидатами, – поясняет Гертс. – В отличие от кварков, которые могут взаимодействовать с плазмой, эти лептоны проходят сквозь неё практически невредимыми, неся неискажённую информацию о своей среде». Обнаружение этих мимолётных пар среди бесчисленного множества других частиц требовало чрезвычайно чувствительного оборудования и тщательной калибровки.
Для достижения этой цели команда усовершенствовала детекторы RHIC, чтобы изолировать лептонные пары с низким импульсом и снизить фоновый шум. Они проверили гипотезу о том, что энергетическое распределение этих пар может напрямую указывать на температуру плазмы. Этот подход, известный как «проникающий термометр», интегрирует эмиссии, возникающие на протяжении всего времени существования КГП, для создания усреднённого теплового профиля. Несмотря на трудности в различении подлинных тепловых сигналов от несвязанных процессов, исследователи получили высокоточные измерения.
Результаты показали два чётких температурных диапазона, зависящих от массы испущенных диэлектронных пар. В диапазоне низких масс средняя температура достигала примерно 2,01 триллиона Кельвинов, что согласуется с теоретическими предсказаниями и температурами, наблюдаемыми при переходе плазмы в обычную материю. В диапазоне более высоких масс средняя температура составляла около 3,25 триллиона Кельвинов, что соответствует более ранней, горячей фазе плазмы.
Этот контраст указывает на то, что низкомассивные диэлектроны образуются на более поздних этапах эволюции плазмы, тогда как высокомассивные – на её начальной, более энергичной стадии. «Эта работа представляет средние температуры КГП на двух различных этапах её эволюции и при нескольких барионных химических потенциалах, что является значительным шагом вперёд в картировании термодинамических свойств КГП», – подчеркивает Гертс.
Точное измерение температуры КГП на разных этапах её эволюции предоставляет учёным важнейшие экспериментальные данные, необходимые для завершения построения «фазовой диаграммы КХД». Эта диаграмма крайне важна для понимания того, как фундаментальная материя ведёт себя при экстремальных температурах и плотностях, аналогичных тем, что существовали сразу после Большого взрыва и присутствуют в таких космических явлениях, как нейтронные звёзды. «Вооружившись этой тепловой картой, исследователи теперь могут уточнить своё понимание времени жизни КГП и её транспортных свойств, тем самым улучшив наше знание о ранней Вселенной, – заключает Гертс. – Это достижение – не просто измерение, оно предвещает новую эру в исследовании самых экстремальных рубежей материи».
Среди авторов исследования – бывший постдокторант Университета Райса Цзаочэнь Е (ныне работает в Южно-Китайском педагогическом университете), выпускник Райса Идин Хань (ныне в Медицинском колледже Бейлора) и нынешний аспирант Райса Ченлян Цзинь. Работа проводилась при поддержке Управления науки Министерства энергетики США.
