Investigadores miden temperaturas extremas del plasma primordial del Big Bang

Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice, liderado por el físico Frank Geurts, logró un avance significativo en la física de partículas al medir la temperatura del plasma de quarks y gluones (QGP) en diferentes etapas de su evolución. Este plasma es una forma de materia que se cree que llenó el universo solo millonésimas de segundo después del Big Bang, el evento que marca el origen y la expansión del universo. Los resultados, publicados el 14 de octubre en Nature Communications, ofrecen una mirada única a las condiciones extremas que moldearon el cosmos temprano.

Desafiando la medición de temperaturas en entornos extremos

Medir temperaturas en ambientes donde ningún instrumento puede sobrevivir ha sido un desafío para los científicos. El equipo superó este obstáculo al estudiar pares térmicos de electrones y positrones liberados durante colisiones de núcleos atómicos a alta velocidad en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Brookhaven National Laboratory de Nueva York. Estas emisiones proporcionaron una forma de reconstruir cuán caliente se volvió el plasma a medida que se formaba y enfriaba.

"Nuestras mediciones desbloquean la huella térmica del QGP", afirmó Geurts, profesor de física y astronomía y co-portavoz de la colaboración RHIC STAR. "El seguimiento de las emisiones de dileptones nos ha permitido determinar cuán caliente estaba el plasma y cuándo comenzó a enfriarse, proporcionando una visión directa de las condiciones justo microsegundos después de la creación del universo".

Una nueva ventana térmica

El plasma de quarks y gluones es un estado único de la materia donde los bloques básicos de protones y neutrones, quarks y gluones, existen libremente en lugar de estar confinados dentro de partículas. Su comportamiento depende casi por completo de la temperatura. Hasta ahora, los científicos carecían de las herramientas para observar este sistema caliente y en rápida expansión sin distorsionar los resultados. Con el QGP alcanzando temperaturas de varios billones de Kelvin, el desafío fue encontrar un "termómetro" capaz de observarlo sin interferencias.

"Los pares leptónicos térmicos, o emisiones de electrones y positrones producidas a lo largo de la vida del QGP, surgieron como candidatos ideales", dijo Geurts. "A diferencia de los quarks, que pueden interactuar con el plasma, estos leptones atraviesan el plasma en gran medida ilesos, llevando información no distorsionada sobre su entorno".

Detectar estos pares fugaces entre innumerables otras partículas requirió equipos extremadamente sensibles y una calibración meticulosa.

Avance experimental en el RHIC

Para lograr esto, el equipo refinó los detectores del RHIC para aislar pares de leptones de bajo momento y reducir el ruido de fondo. Probaron la idea de que la distribución de energía de estos pares podría revelar directamente la temperatura del plasma. El enfoque, conocido como un termómetro penetrante, integra emisiones a lo largo de toda la vida del QGP para producir un perfil térmico promedio.

A pesar de los desafíos para distinguir señales térmicas genuinas de procesos no relacionados, los investigadores obtuvieron mediciones altamente precisas.

Etapas de temperatura distintas reveladas

Los resultados mostraron dos rangos de temperatura claros, dependiendo de la masa de los pares de dielectrones emitidos. En el rango de baja masa, la temperatura promedio alcanzó aproximadamente 2.01 billones de Kelvin, consistente con predicciones teóricas y con temperaturas observadas cuando el plasma transiciona a materia ordinaria. En el rango de mayor masa, la temperatura promedio fue de alrededor de 3.25 billones de Kelvin, representando la fase inicial y más caliente del plasma.

Esta diferencia sugiere que los dielectrones de baja masa se producen más tarde en la evolución del plasma, mientras que los de alta masa provienen de su etapa inicial, más energética.

"Este trabajo informa sobre las temperaturas promedio del QGP en dos etapas distintas de evolución y múltiples potenciales químicos bariónicos, marcando un avance significativo en la cartografía de las propiedades termodinámicas del QGP", afirmó Geurts.

Cartografiando la materia bajo condiciones extremas

Al medir con precisión la temperatura del QGP en diferentes puntos de su evolución, los científicos obtienen datos experimentales cruciales necesarios para completar el "diagrama de fase QCD", que es esencial para mapear cómo se comporta la materia fundamental bajo inmenso calor y densidad, similar a las condiciones que existieron momentos después del Big Bang y que están presentes en fenómenos cósmicos como las estrellas de neutrones.

"Armados con este mapa térmico, los investigadores pueden ahora refinar su comprensión de las vidas del QGP y sus propiedades de transporte, mejorando así nuestra comprensión del universo temprano", concluyó Geurts. Este avance significa más que una medición; anuncia una nueva era en la exploración de la frontera más extrema de la materia.

Los contribuyentes al estudio incluyen al exasociado postdoctoral de Rice, Zaochen Ye (ahora en la South China Normal University), al exalumno de Rice Yiding Han (ahora en el Baylor College of Medicine) y al actual estudiante de posgrado de Rice Chenliang Jin. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.

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