Rekordowo wysoka temperatura: biliony stopni zmierzone wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Przestrzeń

Zespół redakcyjny witryny poświęconej innowacjom technologicznym – 30 października 2025 r.

Częściowy widok gigantycznego detektora STAR, zaprojektowanego do badania wczesnych momentów Wszechświata. [Grafika: BNL]

Rekordowa temperatura

Jeśli lubisz płyty, ta przypadnie ci do gustu: Nie sposób wyobrazić sobie wyższej temperatury niż ta, jaka panowała w pierwotnej zupie, zwanej plazmą kwarkowo-gluonową , która powstała wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Naukowcy właśnie zarejestrowali profil temperaturowy tego ultragorącego stanu materii, wygenerowany przez detektor znany jako STAR, znajdujący się w Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) w USA. STAR to również nazwa międzynarodowej współpracy, która zbudowała i obsługuje ten sprzęt, skupiając setki naukowców z 55 instytucji w 12 krajach.

Analizując rzadkie emisje elektronów i pozytonów pochodzące ze zderzeń atomowych, zespół precyzyjnie określił temperatury na różnych etapach ewolucji pierwotnej plazmy. Wyniki nie tylko potwierdzają przewidywania teoretyczne, ale także udoskonalają diagram fazowy chromodynamiki kwantowej (QCD), który odwzorowuje zachowanie materii w ekstremalnych warunkach.

„Nasze pomiary ujawniają termiczną sygnaturę plazmy kwarkowo-gluonowej” – powiedział Frank Geurts, członek współpracy STAR. „Śledzenie emisji dileptonów pozwoliło nam określić temperaturę plazmy i moment, w którym zaczęła się ona ochładzać, zapewniając bezpośredni wgląd w warunki panujące zaledwie mikrosekundy po powstaniu Wszechświata”.

Diagram ilustruje właściwości materii z potencjałem chemicznym barionowym (równoważnym gęstości liczby barionowej netto) i temperaturą, z punktami odniesienia dla jąder atomowych, gwiazd neutronowych i przejścia fazowego do plazmy kwarkowo-gluonowej. [Grafika: STAR Collaboration - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Biliony stopni

Wyniki wykazały dwa odrębne zakresy temperatur, w zależności od masy emitowanych par elektronów.

W zakresie niskich mas średnia temperatura osiągnęła około 2,01 biliona kelwinów, co jest zgodne z przewidywaniami teoretycznymi i temperaturami obserwowanymi podczas przejścia plazmy w zwykłą materię. W zakresie wyższych mas średnia temperatura wynosiła około 3,25 biliona kelwinów, co odpowiada początkowej, gorętszej fazie plazmy.

Kontrast ten sugeruje, że elektrony o małej masie powstały później w ewolucji plazmy, natomiast elektrony o dużej masie narodziły się na wcześniejszym, bardziej energetycznym etapie.

Precyzyjnie mierząc temperaturę plazmy kwarkowo-gluonowej w różnych punktach jej ewolucji, naukowcy uzyskali kluczowe dane eksperymentalne, które pozwoliły na stworzenie diagramu fazowego chromodynamiki kwantowej (QCD). Diagram ten jest niezbędny do odwzorowania zachowania się materii fundamentalnej w warunkach ogromnego ciepła i gęstości, podobnych do warunków panujących tuż po Wielkim Wybuchu, ale obecnych również obecnie w zjawiskach astrofizycznych, takich jak gwiazdy neutronowe.

„Dzięki tej mapie termicznej naukowcy mogą teraz doprecyzować swoją wiedzę na temat żywotności plazmy kwarkowo-gluonowej i jej właściwości transportowych, pogłębiając w ten sposób naszą wiedzę o wczesnym Wszechświecie” – powiedział Geurts. „Ten postęp oznacza coś więcej niż tylko pomiar; zwiastuje on nową erę w eksploracji najbardziej ekstremalnych granic materii”.

Schematyczna reprezentacja zderzenia Au+Au zrekonstruowanego za pomocą detektora STAR. [Grafika: STAR Collaboration - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Jakiego rodzaju termometru użyto?

Pomiar temperatury w środowiskach, w których żaden przyrząd pomiarowy nie jest w stanie fizycznie przetrwać, wymagał ogromnej kreatywności i ciężkiej pracy.

Zespół przezwyciężył to wyzwanie, badając pary termiczne elektronów i pozytonów uwalniane podczas szybkich zderzeń jąder atomowych w akceleratorze. Emisje te pozwoliły im odtworzyć temperaturę plazmy podczas jej formowania i chłodzenia.

„Termiczne pary leptonów, czyli emisje elektron-pozyton powstające w czasie życia plazmy kwarkowo-gluonowej, okazały się idealnymi kandydatami” – powiedział Geurts. „W przeciwieństwie do kwarków, które mogą oddziaływać z plazmą, te leptony przechodzą przez nią praktycznie bez szwanku, niosąc niezniekształcone informacje o swoim otoczeniu”.

Wymagało to bezprecedensowych udoskonaleń technologicznych w detektorze STAR, aby umożliwić mu izolację niskoenergetycznych par leptonów i redukcję szumu tła. Główną ideą jest to, że rozkład energii tych par bezpośrednio odzwierciedla temperaturę plazmy, co jest podejściem znanym jako „termometr penetrujący” – emisje są integrowane w celu uzyskania średniego profilu termicznego.

Poprzednie szacunki temperatury po Wielkim Wybuchu obarczone były dużą niepewnością, a ponadto były zniekształcone przez ruch plazmy, który powodował odchylenia podobne do efektu Dopplera, lub przez niejasność co do tego, czy odczyty odzwierciedlały samą plazmę, czy późniejsze stadia jej rozpadu.

Inne wiadomości na temat:

Więcej tematów