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，據信在大爆炸後僅百萬分之一秒的時間內就充滿了宇宙，大爆炸標誌著宇宙的起源和膨脹。結果於10月14日公佈 自然通訊它們讓我們得以難得一睹形成早期宇宙的極端條件。
追踪早期宇宙的熱量
在儀器能夠生存的環境中測量溫度長期以來一直是科學家們面臨的挑戰。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）中原子核高速碰撞中釋放的熱電子-正電子對，克服了這一問題。這些發射提供了一種重建等離子體形成和冷卻時的熱度的方法。
早期的溫度估計是不確定的，通常是由於等離子體運動的扭曲，產生了類似多普勒的頻移，或者因為讀數反映了等離子體本身或其衰變的後期階段。
“我們的測量結果揭示了 QGP 的熱指紋，”物理學和天文學教授兼 RHIC STAR 合作發言人 Geurts 說。 “跟踪雙輕子發射使我們能夠確定等離子體的溫度以及何時開始冷卻，從而可以直接了解宇宙誕生後幾微秒的情況。”
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，其中質子和中子、夸克和膠子的基本構件自由存在，而不是存在於粒子內部。它的行為幾乎完全取決於溫度。到目前為止，科學家們還沒有工具可以在不扭曲結果的情況下研究這個炎熱且快速膨脹的系統。當 QGP 的溫度達到數万億開爾文時，面臨的挑戰是找到一個能夠在不受干擾的情況下對其進行觀測的“溫度計”。
“熱輕子對，或者 QGP 壽命期間產生的電子-正電子發射，似乎是理想的候選者，”格爾茨說。 “與可以與等離子體相互作用的夸克不同，這些輕子只是穿過等離子體，並攜帶有關其環境的扭曲信息。”
在眾多其他粒子中檢測這些難以捉摸的粒子對需要高度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，以隔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反映等離子體溫度的想法。這種方法稱為穿透式溫度計，對 QGP 整個生命週期內的排放進行積分，以生成平均熱分佈。
儘管區分真實熱信號與不相關過程存在挑戰，研究人員還是獲得了高度準確的測量結果。
揭示了不同的溫度階段
結果顯示出兩個清晰的溫度範圍，具體取決於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，與理論預測和從等離子體到正常物質轉變過程中觀測到的溫度一致。在較高質量範圍內，平均溫度約為 3.25 萬億開爾文，表明存在更熱的前等離子體相。
這種對比表明，低質量雙電子是在等離子體演化的後期產生的，而高質量雙電子則來自能量更高的初始階段。
Geurts 表示：“這項工作報告了 QGP 在兩個不同進化階段的平均溫度和多個重子化學勢，代表了 QGP 熱力學性質繪圖方面的重大進展。”
極端條件下的物質
通過精確測量QGP在其演化過程中不同點的溫度，科學家們獲得了構建“QCD相圖”所需的關鍵實驗數據，這對於理解核心物質在極熱和緻密物質中的行為至關重要，類似於大爆炸後瞬間以及中子星等宇宙現像中存在的條件。
格爾茨說：“有了這張熱圖，研究人員現在可以增進對 QGP 壽命及其輸運特性的了解，從而增進我們對早期宇宙的了解。” “這一進步不僅僅代表了一種測量；它預示著探索物質最極端前沿的新時代。”
研究貢獻者包括萊斯大學前博士後葉早晨（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）和萊斯大學現任研究生金晨亮。這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。
