Rastreando o calor no universo primitivo

Medir temperaturas em ambientes onde nenhum instrumento pode sobreviver fisicamente tem sido um desafio para os cientistas. A equipe superou isso estudando pares térmicos de elétron-pósitron liberados durante colisões de núcleos em alta velocidade no Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York. Estas emissões forneceram uma forma de reconstruir o quão quente o plasma se tornou à medida que se formou e arrefeceu.

As estimativas anteriores de temperatura eram imprecisas, muitas vezes devido ao decaimento por movimento dentro do plasma, produzindo mudanças semelhantes às do Doppler, ou à confusão sobre se as medições refletiam o próprio plasma ou estágios posteriores de seu decaimento.

“Nossas medições revelam a impressão digital térmica do QGP”, disse Gertz, professor de física e astronomia e co-porta-voz da colaboração RHIC STAR. “Monitorar a emissão de diléptons nos permite determinar quão quente estava o plasma e quando começou a esfriar, fornecendo uma visão direta das condições em microssegundos após o início do universo.”

Abre uma nova janela térmica

Um plasma de quark-glúons é um estado único da matéria onde prótons e nêutrons, os blocos básicos de construção de quarks e glúons, estão livres e não confinados em partículas. Seu comportamento é quase dependente da temperatura. Até agora, os cientistas não tinham as ferramentas para ver os resultados neste sistema quente e em rápida expansão sem distorcê-lo. Como o QGP atingiu temperaturas de vários trilhões de Kelvin, o desafio era encontrar um “termômetro” capaz de monitorá-lo sem interferências.

“Os pares de léptons térmicos, ou emissões de elétrons-pósitrons produzidos durante a vida do QGB, surgiram como bons candidatos”, disse Gertz. “Ao contrário dos quarks que podem interagir com o plasma, estes leptões transportam informação não corrompida sobre o seu ambiente e passam praticamente intactos.”

A detecção desses pares rápidos entre inúmeras outras partículas exigiu equipamento altamente sensível e calibração meticulosa.

Avanço experimental no RHIC

Para conseguir isso, a equipe refinou os detectores do RHIC para isolar pares de léptons de baixa velocidade e reduzir o ruído de fundo. Eles testaram a ideia de que a distribuição de energia desses pares reflete diretamente a temperatura do plasma. A abordagem, chamada de termômetro penetrante, integra a emissão durante toda a vida útil do QGP para produzir um perfil térmico médio.

Apesar dos desafios em distinguir sinais térmicos verdadeiros de processos não relacionados, os pesquisadores obtiveram medições altamente precisas.

Níveis distintos de temperatura são revelados

Os resultados mostraram duas faixas de temperatura distintas dependendo da massa dos pares dielétricos emitidos. Na faixa de massa inferior, a temperatura média atingiu cerca de 2,01 trilhões de Kelvin, o que é consistente com as previsões teóricas e com as temperaturas observadas quando o plasma se transforma em matéria normal. Na faixa de alta massa, a temperatura média é de cerca de 3,25 trilhões de Kelvin, indicando uma fase anterior e mais quente do plasma.

Esta variação significa que os dielétricos de baixa massa são produzidos mais tarde na evolução do plasma, enquanto os de alta massa vêm de seu estado inicial altamente energético.

“Este trabalho relata temperaturas médias do QGP e diversas energias químicas bariônicas em dois estágios diferentes de evolução, o que representa um avanço significativo no mapeamento das propriedades termodinâmicas do QGP”, disse Gertz.

Mapeando a matéria sob condições extremas

Ao medir com precisão a temperatura do QGP em diferentes pontos da sua evolução, os cientistas obtêm dados experimentais críticos necessários para completar o “diagrama de fases QCD”, que é essencial para mapear como se comporta sob imenso calor e densidade, semelhante aos momentos após o Big Bang.

“Armados com este mapa de calor, 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 primitivo,” disse Gertz. “Este avanço representa mais do que uma medida; ele anuncia uma nova era na exploração da fronteira mais extrema da matéria.”

Os colaboradores do estudo incluem o ex-associado de pós-doutorado da Rice, Jachen 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. Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.