萊斯大學物理學家 Frank Geurts 領導的團隊通過測量夸克膠子等離子體（QGP）在其演化的不同階段的溫度，實現了粒子物理學的一個重要里程碑。這種等離子體是一種物質形式，被認為在大爆炸後百萬分之一秒內就充滿了宇宙。這是表明宇宙誕生和膨脹的事件。結果於 10 月 14 日公佈。 自然交流它提供了對塑造早期宇宙的極端條件的罕見觀察。
追踪早期宇宙的熱量
在沒有任何儀器能夠生存的環境中測量溫度長期以來一直是科學家面臨的挑戰。該團隊通過研究紐約布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機（RHIC）中原子核高速碰撞過程中釋放的熱電子-正電子對，克服了這一問題。這些排放是等離子體在形成和冷卻時重新產生熱量的方式。
之前的溫度估計是不確定的。它們經常因等離子體內的運動而扭曲，從而導致類似多普勒的頻移。或者對讀數是否反映等離子體本身或衰變的後期階段感到困惑。
“我們的測量結果解開了 QGP 的熱指紋，”物理學和天文學教授兼 RHIC STAR 合作聯合發言人 Geurts 說。跟踪雙輕子發射使我們能夠確定等離子體有多熱以及何時開始冷卻。它提供了條件的直接視圖。就在宇宙誕生後的幾分之一秒內。 ”
打開新的熱窗口
夸克-膠子等離子體是一種特殊的物質狀態，其基本成分是質子和中子。夸克和膠子它們獨立存在，而不是被限制在粒子內。它的行為幾乎完全取決於溫度。到目前為止，科學家們還缺乏能夠在不扭曲結果的情況下觀察熾熱、快速膨脹的系統的工具。當QGP的溫度達到數万億開爾文時，面臨的挑戰是找到一種可以不受干擾地觀察的“溫度計”
“事實證明，QGP 整個生命週期中發生的熱輕子對或電子-正電子發射是理想的候選者，”Geurts 說。 “與可以與等離子體相互作用的夸克不同，這些輕子幾乎毫髮無傷地穿過等離子體，並且擁有關於其環境的未扭曲的信息。”
在無數其他粒子中檢測這些轉瞬即逝的粒子對需要極其靈敏的設備和細緻的校準。
RHIC 的實驗進展
為了實現這一目標，該團隊改進了 RHIC 的探測器，以分離低動量輕子對並降低背景噪聲。他們測試了這些對的能量分佈可以直接揭示等離子體溫度的想法。這種方法稱為刺入式溫度計。它整合了 QGP 整個生命週期內的溫室氣體排放，以創建平均熱量分佈。
儘管區分真正的熱信號與不相關過程存在挑戰，但研究人員獲得了高度準確的測量結果。
揭示不同的溫度階段
結果顯示了兩個清晰的溫度範圍。根據發射的雙電子對的質量，在低質量範圍內，平均溫度達到約 2.01 萬億開爾文。這與理論預測和等離子體轉變為普通物質時觀察到的溫度一致。在較高質量範圍內，平均溫度約為 3.25 萬億開爾文。這代表等離子體的較熱階段。
這種差異表明低質量雙電子是在等離子體演化的後期產生的。同時，高質量雙電子來自能量更高的初始階段。
“這項工作報告了 QGP 在兩個不同演化階段的平均溫度和幾個重子化學勢。這是繪製 QGP 熱力學性質的重要進展，”Geurts 說。
繪製極端條件下的物質圖
通過精確測量 QGP 在其演化過程中各個點的溫度，科學家們獲得了生成“QCD 相圖”所需的重要實驗數據，以繪製基本物質在巨大熱量和密度下的行為方式。它類似於大爆炸後存在的條件以及存在於中子星等宇宙現像中的條件。
“通過這張熱圖，研究人員能夠加深對 QGP 壽命及其傳輸特性的理解。這將有助於增進我們對早期宇宙的理解，”Geurts 說。 “這一進步意義非凡。它預示著探索物質最極端極限的新時代。”
這項研究的貢獻者包括前萊斯大學博士後副教授葉早晨（現就職於華南師範大學）、萊斯大學校友韓一丁（現就職於貝勒醫學院）和現任萊斯大學研究生金晨亮。這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。
