لأول مرة، تمكن الفيزيائيون من قياس درجة حرارة بلازما كوارك-غلوون (QGP) في مراحل مختلفة من تطورها. يوفر هذا الإنجاز نظرة ثاقبة لحالة المادة التي يُعتقد أنها كانت موجودة في الميكروثانية الأولى بعد الانفجار الكبير.

بحث منشور في المجلة اتصالات الطبيعةيحل المشكلة القديمة المتمثلة في قياس درجة حرارة المادة في الظروف القاسية حيث لا يمكن الوصول المباشر إليها. تمكن العلماء من فك تشفير المظهر الحراري لـ QGP باستخدام الإشارات غير المباشرة – أزواج البوزيترون والإلكترون التي يتم إنتاجها نتيجة للإشعاع الحراري أثناء الاصطدامات النسبية الفائقة للأيونات الثقيلة في مصادم الأيونات الثقيلة النسبي في مختبر بروكهافن الوطني (RHIC).

تمت تجربة هذه الطريقة من قبل، ولكنها واجهت عددًا من الصعوبات، على سبيل المثال، عدم اليقين فيما إذا كانت درجة الحرارة المقاسة تشير تحديدًا إلى مرحلة QGP أم أنها مشوهة بتأثير دوبلر بسبب معدلات التوسع الهائلة للبلازما.

“تكشف قياساتنا عن التوقيع الحراري لـ QGP. “لقد سمح لنا تتبع انبعاث الدليبتونات بتحديد مدى حرارة البلازما ومتى بدأت في البرودة، مما يوفر نظرة مباشرة على الظروف التي كانت موجودة بعد ميكروثانية فقط من ولادة الكون،” قال البروفيسور فرانك جورتس من جامعة قطر. جامعة رايس، الرئيس المشارك لتعاون STAR في RHIC.

نافذة حرارية على المادة النووية

خصائص QGP، وهي الحالة التي لا ترتبط فيها الكواركات والجلونات، تعتمد بشدة على درجة حرارتها. كانت الطرق السابقة تفتقر إلى الدقة أو قوة الاختراق لقياس الظروف الحرارية الداخلية لـ QGP دون أن تتأثر بتطورها. وبما أنه كان من المتوقع أن تتجاوز درجات الحرارة تريليونات كلفن، كانت هناك حاجة إلى مقياس حرارة غير متصل للحصول على بيانات في الوقت الحقيقي.

وأوضح جورتس: “تبين أن أزواج اللبتون الحرارية، أي أزواج الإلكترون والبوزيترون التي يتم إنتاجها طوال عمر QGP، هي مرشحة مثالية”. “على عكس الكواركات، التي يمكن أن تتفاعل مع البلازما، فإن اللبتونات تمر عبرها عمليا دون تشويه، وتحمل معلومات نقية عن بيئتها.”

وأضاف أن اكتشاف هذه الأزواج النادرة في بحر من الجسيمات الناتجة عن الاصطدامات يتطلب حساسية غير مسبوقة ودقة بيانات.

اختراق تجريبي

استخدم الباحثون أدوات متقدمة في RHIC لمعايرة أنظمتهم لعزل أزواج الليبتون ذات الزخم المنخفض.

لقد اختبروا الفرضية القائلة بأن توزيع الطاقة لهذه الأزواج من شأنه أن يوفر قياسًا مباشرًا لدرجة حرارة QGP. يقوم “مقياس حرارة الاختراق” هذا بجمع بيانات الإشعاع على مدى عمر البلازما، مما ينتج عنه ملف متوسط ​​لدرجة الحرارة.

وتمكن فريق البحث من إجراء قياسات دقيقة على الرغم من القيود التكنولوجية المرتبطة بحجم البيانات الإحصائية والصعوبات في عزل العمليات الخلفية التي يمكن أن تحاكي الإشارة الحرارية.

النتائج الرئيسية والآثار المترتبة

وجدت الدراسة متوسطين مختلفين لدرجات الحرارة اعتمادًا على نطاق كتل زوج البوزيترون والإلكترون.

• انخفاض درجة الحرارة إلى حوالي 2.01 تريليون كلفن في منطقة الكتلة المنخفضة. تتوافق هذه القيمة مع النماذج النظرية ومع درجة حرارة “التجميد الكيميائي” التي يتم الحصول عليها بطرق أخرى.
• ارتفاع درجة الحرارة بشكل ملحوظ بحوالي 3.25 تريليون كلفن في منطقة الجماهير الكبيرة.

ويشير هذا الاختلاف إلى أن الإشعاع الحراري منخفض الكتلة الذي ينتج الديليبتونات يحدث في الغالب في وقت لاحق، بالقرب من مرحلة انتقال QGP إلى مادة هادرونية. وفي الوقت نفسه، تولد الأزواج من المنطقة ذات الكتلة العالية في مرحلة مبكرة وحارة من تطور QGP.

قال جورتس: “يُبلغ هذا العمل لأول مرة عن متوسط ​​درجات حرارة برنامج QGP في مرحلتين مختلفتين من تطوره وعند عدة قيم للقدرة الكيميائية الباريونية، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تحديد الخواص الديناميكية الحرارية لـ QGP”.

من خلال قياس درجة حرارة QGP بدقة في نقاط مختلفة من تطوره، يحصل العلماء على بيانات تجريبية مهمة ضرورية لإكمال البناء مخطط طور الديناميكا الكمية الكمومية، الذي يصف سلوك المادة الأساسية في ظل ظروف درجات الحرارة والكثافات الهائلة المشابهة لتلك التي كانت موجودة في اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير والتي توجد في الأجسام الكونية مثل النجوم النيوترونية.

واختتم البروفيسور قائلاً: “باستخدام هذه الخريطة الحرارية، يمكن للباحثين الآن تحسين فهمهم لعمر برنامج QGP وخصائص النقل الخاصة به، وبالتالي تحسين فهمنا للكون المبكر”.