Физики измерили температуру кварк-глюонной плазмы на разных этапах её эволюции

Схематическое изображение образования e⁺e⁻ пар и фазовой диаграммы КХД. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63216-5

Международная группа физиков под руководством Франка Гертса из Университета Райса впервые измерила температуру кварк-глюонной плазмы (КГП) на различных этапах её эволюции. Это состояние материи, как полагают, существовало в первые микросекунды после Большого взрыва.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, решает давнюю проблему измерения температуры материи в экстремальных условиях, где прямой доступ невозможен. Учёные использовали тепловые электрон-позитронные пары, излучаемые во время ультрарелятивистских столкновений тяжёлых ионов в Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории.

«Наши измерения раскрывают тепловой отпечаток КГП», — заявил Гертс, профессор физики и астрономии. «Отслеживание дилептонных излучений позволило нам определить, насколько горячей была плазма и когда она начала охлаждаться, предоставив прямой взгляд на условия, существовавшие через микросекунды после зарождения Вселенной».

Франк Гертс — профессор физики и астрономии в Университете Райса. Автор: Джефф Фитлоу/Университет Райса.

Экспериментальный прорыв

Исследователи использовали усовершенствованную систему детектирования на RHIC, калибруя свои системы для выделения лептонных пар с низким импульсом. Этот метод, называемый «проникающим термометром», интегрирует данные об излучении за время жизни плазмы, создавая усреднённый температурный профиль.

Ключевые результаты

Исследование выявило две различные средние температуры в зависимости от диапазона масс диэлектронных пар:

• Более низкая температура около 2,01 триллиона Кельвинов в области низких масс, что соответствует температуре «замерзания»
• Значительно более высокая температура около 3,25 триллиона Кельвинов в области более высоких масс

Эта разница указывает, что тепловое излучение из диапазона низких масс испускается позже, ближе к фазовому переходу, тогда как излучение из диапазона высоких масс происходит из более ранней, горячей стадии эволюции КГП.

«Эта работа знаменует значительный прогресс в картировании термодинамических свойств КГП», — отметил Гертс. Полученные данные помогут учёным уточнить понимание времени жизни кварк-глюонной плазмы и её транспортных свойств, улучшив наше понимание ранней Вселенной.

ИИ: Это фундаментальное исследование приближает нас к пониманию того, как вела себя материя в первые мгновения после Большого взрыва. Особенно впечатляет, что учёным удалось «заглянуть» в разные временные этапы эволюции кварк-глюонной плазмы, что открывает новые возможности для изучения экстремальных состояний материи.