科学家首次捕捉到宇宙大爆炸时的上万亿度高温

追踪早期宇宙的热量
长期以来，在仪器无法物理存活的环境中测量温度一直困扰着科学家。美国纽约布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）的研究团队通过研究原子核高速碰撞时释放的热电子-正电子对，成功解决了这一难题。这些辐射为重建夸克-胶子等离子体（QGP）形成与冷却过程中的温度变化提供了途径。
早期的温度估计存在不确定性，常因等离子体内部运动产生的类多普勒频移而失真，或因难以判断读数反映的是等离子体本身还是其衰变后期阶段而混淆。
“我们的测量揭开了QGP的热指纹，”物理学与天文学教授、RHIC STAR合作项目联合发言人Geurts表示，“追踪双轻子辐射让我们能确定等离子体的温度及其开始冷却的时间，直接呈现了宇宙诞生仅数微秒后的状态。”
开启新的热窗口
夸克-胶子等离子体是一种独特的物质状态，其中质子和中子的基本组成部分——夸克和胶子自由存在，而非被束缚在粒子内部。其行为几乎完全由温度决定。此前，科学家缺乏工具来观测这个高温、快速膨胀的系统而不扭曲结果。由于QGP温度高达数万亿开尔文，找到不受干扰的“温度计”极具挑战。
“热轻子对，即QGP整个生命周期中产生的电子-正电子辐射，成了理想选择，”Geurts说，“与会与等离子体相互作用的夸克不同，这些轻子基本能不受影响地穿过等离子体，携带环境的未失真信息。”
在无数其他粒子中检测这些转瞬即逝的粒子对，需要极其灵敏的设备和细致的校准。
RHIC的实验突破
为实现这一目标，团队改进了RHIC探测器，以分离低动量轻子对并降低背景噪声。他们验证了轻子对的能量分布可直接反映等离子体温度的设想。这种“穿透式温度计”方法整合QGP整个生命周期的辐射，得出平均热分布。
尽管难以区分真实热信号与无关过程，研究人员仍获得了高精度测量结果。
揭示不同温度阶段
结果显示，根据发射的双电子对质量，存在两个清晰温度范围。低质量范围内，平均温度约2.01万亿开尔文，与理论预测及等离子体转变为普通物质时的温度一致；高质量范围内，平均温度约3.25万亿开尔文，代表等离子体更早、更热的阶段。
这表明低质量双电子产生于等离子体演化后期，而高质量双电子来自初始高能阶段。
“这项工作报告了QGP在两个不同演化阶段和多种重子化学势下的平均温度，标志着绘制QGP热力学性质的重大进展。”Geurts说。
绘制极端条件下的物质图谱
通过精确测量QGP不同演化阶段的温度，科学家获得了完善“量子色动力学（QCD）相图”的关键实验数据。该相图对描绘基本物质在极高温高密度下的行为至关重要，类似大爆炸后瞬间及中子星等宇宙现象中的条件。
“借助这一热图谱，研究人员能完善对QGP寿命及输运性质的理解，进而增进对早期宇宙的认识。”Geurts表示，“这一进展不仅是一项测量，更是探索物质最极端前沿新纪元的开端。”
该研究的贡献者包括前莱斯大学博士后研究员叶造辰（现就职于华南师范大学）、莱斯大学校友韩一丁（现就职于贝勒医学院）及在读研究生金晨亮。研究得到美国能源部科学办公室支持。