Rice Üniversitesi fizikçisi Frank Geurts liderliğindeki bir araştırma ekibi, kuark-gluon plazmasının (QGP) evriminin çeşitli aşamalarındaki sıcaklığını başarıyla ölçerek, evrenin kökenini ve evrimini açıklayan bilimsel bir teori olan Büyük Patlama’dan sadece mikrosaniyeler sonra var olduğuna inanılan maddenin durumuna dair kritik bilgiler sağladı.
Bulgular şu adreste yayınlanıyor: Doğa İletişimi.
Çalışma, doğrudan erişimin imkansız olduğu aşırı koşullar altında maddenin sıcaklığını ölçmenin uzun süredir devam eden zorluğunu ele alıyor.
Araştırmacılar, New York’taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısında (RHIC) ultra göreceli ağır iyon çarpışmaları sırasında yayılan termal elektron-pozitron çiftlerini kullanarak, QGP’nin termal profilini çözdüler.
Sıcaklık ölçümleri daha önce de mevcuttu ancak bunların QGP aşamasında olup olmadığı ya da bu tür etkili sıcaklıkları zorlayan büyük hız alanlarından kaynaklanan Doppler benzeri bir etki nedeniyle önyargılı olup olmadığı gibi çeşitli komplikasyonlarla boğuşuyordu.
Fizik ve astronomi profesörü ve RHIC STAR işbirliğinin eş sözcüsü Geurts, “Ölçümlerimiz QGP’nin termal parmak izinin kilidini açıyor” dedi.
“Dilepton emisyonlarını takip etmek, plazmanın ne kadar sıcak olduğunu ve ne zaman soğumaya başladığını belirlememize olanak tanıdı ve evrenin başlangıcından sadece mikrosaniyeler sonraki koşullara doğrudan bir bakış sağladı.”
Nükleer maddeye yeni termal pencere
Kuarkların ve gluonların sınırlandırılmamış hali olan QGP’nin özellikleri büyük ölçüde sıcaklığına bağlıdır. Önceki yöntemler, hızla genişleyen bu sistemin gelişiminden etkilenmeden QGP’nin iç termal koşullarını ölçmek için gereken çözünürlük veya nüfuz gücünden yoksundu. Sıcaklıkların trilyonlarca Kelvin’i aşması beklenirken, bilim adamlarının gerçek zamanlı değerleri yakalamak için göze çarpmayan bir termometreye ihtiyacı vardı.
Geurts, “QGP’nin ömrü boyunca üretilen termal lepton çiftleri veya elektron-pozitron emisyonları ideal adaylar olarak ortaya çıktı” dedi.
“Plazma ile etkileşime girebilen kuarkların aksine, bu leptonlar plazmadan büyük ölçüde zarar görmeden geçiyor ve çevreleri hakkında bozulmamış bilgiler taşıyor.”
Ancak Geurts, bu nadir çiftleri parçacık enkazı denizinin ortasında tespit etmenin benzeri görülmemiş bir hassasiyet ve veri doğruluğu gerektirdiğini söyledi.
Deneysel atılım
Araştırmacılar, RHIC’de gelişmiş bir tespit aparatı kullanarak sistemlerini düşük momentumlu lepton çiftlerini izole edecek şekilde kalibre etti.
Bu çiftlerin enerji dağılımının QGP sıcaklığının doğrudan bir ölçümünü sağlayacağı hipotezini test ettiler. Teorik tartışmalarda nüfuz eden termometre olarak adlandırılan bu teknik, plazmanın ömrü boyunca emisyon verilerini entegre ederek ortalama bir sıcaklık profili üretir.
Araştırma ekibi, istatistiksel verilerin teknolojik sınırlamalarına ve termal sinyalleri taklit edebilecek arka plan süreçlerini izole etmedeki zorluklara rağmen hassas bir ölçüm elde etti.
Temel bulgular, çıkarımlar
Çalışma, dieelektron çiftlerinin kütle aralığına bağlı olarak iki farklı ortalama sıcaklığı ortaya çıkardı: teorik modellerle tahmin edilen ve hadronik sondalardan gelen donma sıcaklıklarıyla tutarlı olarak düşük kütleli bölgede yaklaşık 2,01 trilyon Kelvinlik daha düşük bir sıcaklık ve daha yüksek çift kütle bölgesinde yaklaşık 3,25 trilyon Kelvinlik oldukça yüksek bir sıcaklık.
Bu fark, bu dielektronları oluşturan düşük kütle aralığından gelen termal radyasyonun ağırlıklı olarak daha sonra faz geçişine yakın bir zamanda yayıldığını gösterir. Buna karşılık, daha yüksek kütle aralığındakiler, QGP’nin evriminin daha erken, daha sıcak aşamasından kaynaklanır.
Geurts, “Bu çalışma, evrimin iki farklı aşamasındaki ortalama QGP sıcaklıklarını ve çoklu baryonik kimyasal potansiyelleri rapor ederek, QGP’nin termodinamik özelliklerinin haritalandırılmasında önemli bir ilerlemeye işaret ediyor” dedi.
Bilim adamları, QGP’nin evriminin farklı noktalarındaki sıcaklığını hassas bir şekilde ölçerek, “QCD faz diyagramını” tamamlamak için gereken önemli deneysel verileri elde ederler; bu, temel maddenin, Büyük Patlama’dan hemen sonra var olan ve nötron yıldızları gibi kozmik olaylarda mevcut olan koşullara benzer şekilde, muazzam ısı ve yoğunluk altında nasıl davrandığını haritalamak için gereklidir.
Geurts, “Bu termal haritayla donanmış araştırmacılar artık QGP yaşam süreleri ve onun taşınma özelliklerine ilişkin anlayışlarını geliştirebilir, böylece erken evrene ilişkin anlayışımızı geliştirebilirler” dedi.
“Bu ilerleme, bir ölçümden daha fazlasını ifade ediyor; maddenin en uç sınırlarının keşfedilmesinde yeni bir çağın habercisi.”
