Un equipo de investigación de la Universidad Rice, dirigido por el físico Frank Geurts, ha informado de un logro revolucionario en la física de partículas. El equipo midió con éxito la temperatura del plasma de quarks y gluones (QGP) en diferentes etapas de su evolución, proporcionando información valiosa sobre las condiciones que prevalecían en el Universo temprano apenas una millonésima de segundo después del Big Bang.
Los hallazgos, detallados en una publicación reciente, resaltan los entornos hostiles en los que históricamente las mediciones de temperatura han presentado desafíos importantes para los científicos. Los métodos tradicionales a menudo fallaban debido a las condiciones extremas del QGP, un estado único de la materia en el que los quarks y gluones existen libremente, desconectados de los protones y neutrones que normalmente los componen. Las evaluaciones de temperatura anteriores a menudo estaban sesgadas, influenciadas por el movimiento en el plasma o marcadores confusos de las fases de desintegración.
Para superar estos obstáculos, el equipo se centró en analizar los pares térmicos electrón-positrón emitidos durante las colisiones de alta energía de núcleos atómicos realizadas en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York. Estos pares proporcionaron un nuevo enfoque para reconstruir la historia térmica de QGP, revelando las temperaturas alcanzadas a medida que el plasma se formaba y enfriaba.
Geurts, profesor de física y astronomía, así como coportavoz de la colaboración RHIC STAR, enfatizó la importancia de sus hallazgos, calificándolos de desbloquear la «huella digital térmica» de QGP. La investigación utilizó «pares de leptones térmicos», concretamente emisiones de electrones y positrones, porque estos leptones pueden atravesar el QGP en gran medida sin distorsión, transmitiendo así información clara sobre su entorno, un aspecto que los hace ideales para mediciones de temperatura.
El equipo refinó los detectores del RHIC para identificar pares de leptones de bajo momento en medio de un mar de partículas. Utilizando datos detallados sobre la distribución de energía de estos pares, desarrollaron un método conocido como «termómetro de penetración», que fusiona las emisiones para construir un perfil térmico integral durante la vida útil del QGP.
Los hallazgos notables del estudio revelaron dos rangos de temperatura definidos en función de la masa de los pares dieléctricos emitidos. La temperatura media de los pares de baja masa alcanzó un máximo de aproximadamente 2,01 billones de Kelvin, lo que estaba en consonancia con las expectativas teóricas y era coherente con la transición a la materia ordinaria. Por el contrario, los pares de masas más altos indicaron una temperatura promedio aún más alta, de aproximadamente 3,25 billones de Kelvin, que corresponde a las fases energéticas más tempranas del plasma.
Estos descubrimientos sugieren una progresión temporal en la evolución de QGP, con dielectrones de baja masa que surgen más tarde en comparación con sus homólogos de alta masa, lo que refleja la fase inicial más caliente del plasma.
Al cuantificar con precisión las temperaturas del QGP en diferentes momentos de su desarrollo, la investigación contribuye significativamente a completar el diagrama de fases de la Cromodinámica Cuántica (QCD). Este diagrama es crucial para comprender cómo se comporta la materia fundamental en condiciones extremas que recuerdan a las posteriores al Big Bang y observadas en eventos cósmicos como las estrellas de neutrones.
Geurts señaló que este mapeo térmico mejorará la comprensión de los investigadores sobre la vida útil de los QGP y las propiedades de transporte, enriqueciendo las perspectivas sobre el universo temprano. Los contribuyentes a esta investigación también incluyen al ex asociado postdoctoral de Rice, Zaochen Ye, al ex alumno de Rice, Yiding Han, y al actual estudiante graduado Chenliang Jin. Esta ambiciosa investigación fue posible gracias al apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. y marcó un posible punto de inflexión en la búsqueda de descifrar las condiciones más extremas del universo.
