Físicos capturam calor de trilhões de graus do plasma primordial do Big Bang

Rastreando o Calor no Universo Primitivo

Medir temperaturas em ambientes onde nenhum instrumento pode 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 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 incertas, muitas vezes distorcidas pelo movimento dentro do plasma que criava mudanças semelhantes às do Doppler ou pela confusão sobre se as leituras refletiam o próprio plasma ou estágios posteriores de seu decaimento.

“Nossas medições revelam a impressão digital térmica do QGP”, disse Geurts, professor de física e astronomia e co-porta-voz da colaboração RHIC STAR. “O rastreio das emissões de diléptons permitiu-nos determinar quão quente estava o plasma e quando começou a arrefecer, proporcionando uma visão direta das condições apenas microssegundos após o início do Universo.”

Abrindo uma nova janela térmica

O plasma de quark-glúons é um estado único da matéria onde os blocos básicos de construção de prótons e nêutrons, quarks e glúons existem livremente, 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 este sistema quente e em rápida expansão sem distorcer os resultados. Com o QGP atingindo temperaturas de vários trilhões de Kelvins, 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 ilesos, transportando informação não distorcida sobre o seu ambiente.”

A detecção desses pares fugazes entre inúmeras outras partículas exigiu equipamento extremamente sensível e calibração meticulosa.

Avanço Experimental no RHIC

Para conseguir isso, a equipe refinou 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. A abordagem, conhecida como termômetro penetrante, integra as emissões ao longo de toda a vida útil do QGP para produzir um perfil térmico médio.

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

Estágios de temperatura distintos revelados

Os resultados mostraram duas faixas claras de temperatura, dependendo da massa dos pares de dielétrons emitidos. Na faixa de baixa massa, a temperatura média atingiu cerca de 2,01 trilhões de Kelvin, consistente com as previsões teóricas e com as temperaturas observadas quando o plasma faz a transição para matéria comum. Na faixa de massa mais alta, a temperatura média foi de cerca de 3,25 trilhões de Kelvin, representando a fase anterior e mais quente do plasma.

Este contraste sugere que os dielétrons de baixa massa são produzidos mais tarde na evolução do plasma, enquanto os de alta massa vêm de seu estágio inicial, mais energético.

“Este trabalho relata temperaturas médias do QGP em dois estágios distintos de evolução e múltiplos potenciais químicos bariônicos, marcando um avanço significativo no mapeamento das propriedades termodinâmicas do QGP”, disse Geurts.

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 cruciais necessários para completar o “diagrama de fases QCD”, que é essencial para mapear como a matéria fundamental se comporta sob imenso calor e densidade, semelhantes às condições que existiram momentos após o big bang e estão presentes em fenómenos cósmicos como estrelas de neutrões.

“Armados com este mapa térmico, os investigadores podem agora refinar a sua compreensão dos tempos de vida do QGP e das suas propriedades de transporte, melhorando assim a nossa compreensão do universo primitivo,” disse Geurts. “Este avanço significa mais do que uma medida; 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, Zaochen 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.