물리학자들은 빅뱅의 원시 플라즈마에서 1조도의 열을 포착합니다

초기 우주의 열 추적

어떤 장비도 물리적으로 살아남을 수 없는 환경에서 온도를 측정하는 것은 과학자들에게 오랫동안 어려운 과제였습니다. 연구팀은 뉴욕 브룩헤이븐 국립연구소의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 원자핵의 고속 충돌 중에 방출되는 열전자-양전자 쌍을 연구하여 이를 극복했습니다. 이러한 방출은 플라즈마가 형성되고 냉각될 때 플라즈마가 얼마나 뜨거워졌는지 재구성하는 방법을 제공했습니다.

이전의 온도 추정치는 불확실했고, 도플러와 같은 변화를 생성하는 플라즈마 내부의 움직임이나 판독값이 플라즈마 자체를 반영하는지 또는 플라즈마 붕괴의 후기 단계를 반영하는지에 대한 혼란으로 인해 종종 왜곡되었습니다.

RHIC STAR 협력의 공동 대변인이자 물리학 및 천문학 교수인 Geurts는 “우리의 측정을 통해 QGP의 열 지문이 잠금 해제되었습니다.”라고 말했습니다. “딜렙톤 방출을 추적함으로써 우리는 플라즈마가 얼마나 뜨거웠는지, 언제 냉각되기 시작했는지 확인할 수 있었고, 우주 탄생 후 불과 마이크로초 만에 조건을 직접 볼 수 있게 되었습니다.”

새 열 창 열기

쿼크-글루온 플라즈마는 양성자와 중성자, 쿼크와 글루온의 기본 구성 요소가 입자 내부에 갇혀 있지 않고 자유롭게 존재하는 독특한 물질 상태입니다. 그 동작은 거의 전적으로 온도에 따라 달라집니다. 지금까지 과학자들은 결과를 왜곡하지 않고 빠르게 확장되고 있는 이 시스템을 들여다볼 수 있는 도구가 부족했습니다. QGP가 수조 켈빈의 온도에 도달함에 따라 간섭 없이 이를 관찰할 수 있는 “온도계”를 찾는 것이 과제였습니다.

Geurts는 “QGP의 수명 전반에 걸쳐 생성되는 열 렙톤 쌍, 즉 전자-양전자 방출이 이상적인 후보로 떠올랐습니다.”라고 말했습니다. “플라즈마와 상호작용할 수 있는 쿼크와는 달리, 이 렙톤은 크게 손상되지 않고 통과하여 주변 환경에 대한 왜곡되지 않은 정보를 전달합니다.”

수많은 다른 입자들 사이에서 이러한 순간적인 쌍을 탐지하려면 극도로 민감한 장비와 세심한 보정이 필요했습니다.

RHIC의 실험적 혁신

이를 달성하기 위해 팀은 RHIC의 검출기를 개선하여 낮은 운동량의 렙톤 쌍을 분리하고 배경 소음을 줄였습니다. 그들은 이들 쌍의 에너지 분포가 플라즈마 온도를 직접적으로 드러낼 수 있다는 아이디어를 테스트했습니다. 관통 온도계로 알려진 이 접근 방식은 QGP의 전체 수명에 걸쳐 방출을 통합하여 평균 열 프로필을 생성합니다.

실제 열 신호를 관련 없는 프로세스와 구별하는 데 어려움이 있었음에도 불구하고 연구원들은 매우 정확한 측정값을 얻었습니다.

뚜렷한 온도 단계 공개

결과는 방출된 유전체 쌍의 질량에 따라 두 가지 명확한 온도 범위를 보여주었습니다. 저질량 범위에서 평균 온도는 약 2조 0100억 켈빈에 도달했는데, 이는 이론적 예측 및 플라즈마가 일반 물질로 전환될 때 관찰된 온도와 일치합니다. 더 높은 질량 범위에서 평균 온도는 약 3조 2500억 켈빈으로 플라즈마의 초기 더 뜨거운 단계를 나타냅니다.

이러한 대조는 저질량 유전전자가 플라즈마 진화의 후반부에 생성되는 반면, 고질량 유전전자는 초기의 더 에너지 넘치는 단계에서 생성된다는 것을 암시합니다.

Geurts는 “이 연구는 두 가지 별개의 진화 단계와 다중 중입자 화학 포텐셜에서 평균 QGP 온도를 보고하며, 이는 QGP의 열역학적 특성을 매핑하는 데 상당한 발전을 의미합니다”라고 Geurts는 말했습니다.

극한 조건에서의 매핑 문제

진화의 여러 지점에서 QGP의 온도를 정확하게 측정함으로써 과학자들은 “QCD 상태 다이어그램”을 완성하는 데 필요한 중요한 실험 데이터를 얻습니다. 이는 빅뱅 직후 존재했고 중성자 별과 같은 우주 현상에 존재하는 조건과 유사하게 엄청난 열과 밀도 하에서 기본 물질이 어떻게 행동하는지 파악하는 데 필수적입니다.

Geurts는 “이 열 지도를 활용하여 연구자들은 이제 QGP 수명과 전송 특성에 대한 이해를 개선할 수 있어 초기 우주에 대한 이해가 향상될 수 있습니다”라고 말했습니다. “이러한 발전은 측정 그 이상을 의미하며, 물질의 가장 극단적인 미개척지를 탐험하는 새로운 시대를 예고합니다.”

이 연구에 참여한 사람들로는 전 라이스 박사후 연구원 Zaochen Ye(현재 남중국 사범대학), 라이스 졸업생 Yiding Han(현재 베일러 의과대학), 현재 라이스 대학원생 Chenliang Jin이 있습니다. 이 작업은 미국 에너지부 과학 사무국의 지원을 받았습니다.