Acompanhando o Calor no Universo Primitivo

Medir temperaturas em ambientes onde nenhum instrumento pode sobreviver fisicamente tem sido um desafio para os cientistas. A equipe superou esse obstáculo estudando pares de elétrons e pósitrons térmicos liberados durante colisões de núcleos atômicos em alta velocidade no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) no Laboratório Nacional Brookhaven em Nova York. Essas emissões forneceram uma maneira de reconstruir quão quente o plasma se tornou à medida que se formava e esfriava.

As estimativas anteriores de temperatura tinham sido incertas, muitas vezes distorcidas pelo movimento dentro do plasma que criava deslocamentos semelhantes ao Doppler ou por confusão sobre se as leituras refletiam o plasma em si ou estágios posteriores de sua decadência.

“Nossas medições desbloqueiam a impressão térmica do QGP”, disse Geurts, professor de física e astronomia e co-porta-voz da colaboração RHIC STAR. “O acompanhamento das emissões de dileptons nos permitiu determinar quão quente o plasma estava e quando começou a esfriar, fornecendo uma visão direta das condições apenas alguns microssegundos após a concepção do universo.”

Abrindo uma Nova Janela Térmica

O plasma de quarks e glúons é um estado único da matéria onde os blocos básicos 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 careciam das ferramentas para espiar esse sistema quente e em rápida expansão sem distorcer os resultados. Com o QGP atingindo temperaturas de vários trilhões de Kelvin, o desafio era encontrar um “termômetro” capaz de observá-lo sem interferência.

“Pares de léptons térmicos, ou emissões de elétrons e pósitrons produzidas ao longo da vida do QGP, surgiram como candidatos ideais”, disse Geurts. “Ao contrário dos quarks, que podem interagir com o plasma, esses léptons passam por ele praticamente ilesos, carregando informações não distorcidas sobre seu ambiente.”

Detectar esses pares fugazes entre inúmeras outras partículas exigiu equipamentos extremamente sensíveis e calibrações meticulosas.

Avanço Experimental no RHIC

Para alcançar isso, a equipe refinou os detectores do RHIC para isolar pares de léptons de baixa quantidade de movimento 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 um termômetro penetrante, integra emissões ao longo de toda a vida 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.

Temperaturas Distintas Reveladas

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

Esse contraste sugere que os dieletrons de baixa massa são produzidos mais tarde na evolução do plasma, enquanto os de alta massa vêm de sua fase inicial e mais energética.

“Este trabalho relata temperaturas médias do QGP em dois estágios distintos de evolução e múltiplos potenciais químicos baryônicos, marcando um avanço significativo na mapeação das propriedades termodinâmicas do QGP”, disse Geurts.

Mapeando a Matéria Sob Condições Extremas

Ao medir com precisão a temperatura do QGP em diferentes pontos de sua evolução, os cientistas obtêm dados experimentais cruciais necessários para completar o “diagrama de fase QCD”, que é essencial para mapear como a matéria fundamental se comporta sob imensa calor e densidade, de forma semelhante às condições que existiam momentos após o big bang e que estão presentes em fenômenos cósmicos como estrelas de nêutrons.

“Armados com esse mapa térmico, os pesquisadores podem agora refinar sua compreensão das vidas do QGP e suas propriedades de transporte, melhorando assim nosso entendimento do universo primitivo”, disse Geurts. “Esse avanço significa mais do que uma medição; anuncia uma nova era na exploração da fronteira mais extrema da matéria.”

Contribuidores do estudo incluem o ex-associado pós-doutoral da Rice, Zaochen Ye (agora na Universidade Normal do Sul da China), o ex-aluno da Rice, Yiding Han (agora no 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.