Une équipe de recherche dirigée par Frank Geurts, physicien de l'Université Rice, a mesuré avec succès la température du plasma quark-gluon (QGP) à différentes étapes de son évolution, fournissant ainsi des informations essentielles sur un état de la matière qui aurait existé quelques microsecondes seulement après le Big Bang, une théorie scientifique décrivant l'origine et l'évolution de l'univers.
Les résultats sont publiés dans Communications naturelles.
L'étude aborde le défi de longue date consistant à mesurer la température de la matière dans des conditions extrêmes où l'accès direct est impossible.
En utilisant des paires thermiques électron-positon émises lors de collisions ultrarelativistes d'ions lourds au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire national de Brookhaven à New York, les chercheurs ont décodé le profil thermique du QGP.
Les mesures de température existaient auparavant, mais elles étaient en proie à plusieurs complications, notamment si elles concernaient la phase QGP ou si elles étaient biaisées par un effet de type Doppler dû aux champs de vitesse importants poussant de telles températures efficaces.
« Nos mesures révèlent l'empreinte thermique de QGP », a déclaré Geurts, professeur de physique et d'astronomie et co-porte-parole de la collaboration RHIC STAR.
« Le suivi des émissions de dileptons nous a permis de déterminer la température du plasma et le moment où il a commencé à se refroidir, offrant ainsi une vue directe des conditions quelques microsecondes seulement après la création de l'univers. »
Nouvelle fenêtre thermique sur la matière nucléaire
Les propriétés du QGP, un état déconfiné de quarks et de gluons, dépendent fortement de sa température. Les méthodes antérieures n'avaient pas la résolution ou le pouvoir de pénétration nécessaires pour mesurer les conditions thermiques internes du QGP sans être affectées par l'évolution de ce système en expansion rapide. Les températures devant dépasser les milliards de Kelvins, les scientifiques avaient besoin d’un thermomètre discret pour capturer les valeurs en temps réel.
« Les paires de leptons thermiques, ou émissions électron-positon produites tout au long de la durée de vie du QGP, sont apparues comme des candidats idéaux », a déclaré Geurts.
« Contrairement aux quarks, qui peuvent interagir avec le plasma, ces leptons le traversent en grande partie indemnes, transportant des informations non déformées sur leur environnement. »
Cependant, la détection de ces paires rares au milieu d’une mer de débris de particules nécessitait une sensibilité et une fidélité des données sans précédent, a déclaré Geurts.
Percée expérimentale
Les chercheurs ont utilisé un appareil de détection raffiné au RHIC, calibrant leurs systèmes pour isoler les paires de leptons à faible impulsion.
Ils ont testé l'hypothèse selon laquelle la distribution d'énergie de ces paires fournirait une mesure directe de la température du QGP. Cette technique, appelée thermomètre à pénétration dans les discussions théoriques, intègre les données d'émission sur toute la durée de vie du plasma, produisant ainsi un profil de température moyen.
L’équipe de recherche a obtenu une mesure précise malgré les limites technologiques des données statistiques et les difficultés rencontrées pour isoler les processus de fond susceptibles d’imiter les signaux thermiques.
Principales conclusions et implications
L'étude a révélé deux températures moyennes distinctes en fonction de la plage de masse des paires de diélectrons : une température plus basse d'environ 2,01 billions de Kelvin dans la région de faible masse, prédite par les modèles théoriques et cohérente avec les températures de gel des sondes hadroniques, et une température significativement plus élevée d'environ 3,25 billions de Kelvin dans la région de masse des paires plus élevées.
Cette différence indique que le rayonnement thermique de faible masse, qui crée ces diélectrons, est principalement émis plus tard, à proximité de la transition de phase. En revanche, ceux de la gamme de masse plus élevée proviennent de l’étape antérieure et plus chaude de l’évolution du QGP.
« Ce travail rapporte des températures moyennes du QGP à deux stades distincts d'évolution et de multiples potentiels chimiques baryoniques, marquant une avancée significative dans la cartographie des propriétés thermodynamiques du QGP », a déclaré Geurts.
En mesurant avec précision la température du QGP à différents moments de son évolution, les scientifiques obtiennent des données expérimentales cruciales nécessaires pour compléter le « diagramme de phase QCD », essentiel pour cartographier le comportement de la matière fondamentale sous une chaleur et une densité immenses, semblables aux conditions qui existaient quelques instants après le Big Bang et qui sont présentes dans des phénomènes cosmiques comme les étoiles à neutrons.
« Armés de cette carte thermique, les chercheurs peuvent désormais affiner leur compréhension de la durée de vie du QGP et de ses propriétés de transport, améliorant ainsi notre compréhension de l'univers primitif », a déclaré Geurts.
« Cette avancée signifie plus qu'une mesure ; elle annonce une nouvelle ère dans l'exploration des frontières les plus extrêmes de la matière. »
