Une nouvelle perspective du détecteur STAR au RHIC, vu à travers la photographie de réfraction de boule de cristal. La photo a été finaliste pour le Photowalk du Brookhaven National Laboratory en 2018. Crédit :Joe Caggiano
La principale théorie sur la façon dont l'univers a commencé est le Big Bang, qui dit qu'il y a 14 milliards d'années l'univers existait comme une singularité, un point unidimensionnel, avec une vaste gamme de particules fondamentales contenues en son sein. Une chaleur et une énergie extrêmement élevées l'ont fait gonfler puis s'étendre dans le cosmos tel que nous le connaissons - et, l'expansion continue à ce jour.
Le résultat initial du Big Bang était un liquide intensément chaud et énergétique qui a existé pendant quelques microsecondes à environ 10 milliards de degrés Fahrenheit (5,5 milliards de degrés Celsius). Ce liquide ne contenait rien de moins que les éléments constitutifs de toute matière. Alors que l'univers se refroidissait, les particules se sont désintégrées ou combinées donnant lieu à... eh bien, tout.
Le plasma quark-gluon (QGP) est le nom de cette mystérieuse substance ainsi appelée parce qu'elle était composée de quarks - les particules fondamentales - et de gluons, que le physicien Rosi J. Reed décrit comme « ce que les quarks utilisent pour se parler ».
Des scientifiques comme Reed, un professeur adjoint au département de physique de l'Université Lehigh dont la recherche comprend la physique expérimentale des hautes énergies, ne peut pas remonter le temps pour étudier comment l'Univers a commencé. Alors ils recréent les circonstances, par collision d'ions lourds, comme l'or, à presque la vitesse de la lumière, générer un environnement qui est 100, 000 fois plus chaud que l'intérieur du soleil. La collision imite comment le plasma quark-gluon est devenu matière après le Big Bang, mais à l'envers :la chaleur fait fondre les protons et les neutrons des ions, libérant les quarks et les gluons cachés à l'intérieur.
Il n'y a actuellement que deux accélérateurs opérationnels dans le monde capables de faire entrer en collision des ions lourds, et un seul aux États-Unis :le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven National Lab. Il se trouve à environ trois heures de route de Lehigh, à Long Island, New York.
Reed fait partie de la collaboration STAR, un groupe international de scientifiques et d'ingénieurs réalisant des expériences sur le Solenoidal Tracker au RHIC (STAR). Le détecteur STAR est massif et est en fait composé de nombreux détecteurs. Il est aussi grand qu'une maison et pèse 1, 200 tonnes. La spécialité de STAR est de suivre les milliers de particules produites par chaque collision ionique au RHIC à la recherche des signatures du plasma quark-gluon.
« Lorsque nous menons des expériences, nous pouvons modifier deux « boutons » :l'espèce, comme l'or sur l'or ou le proton sur le proton, et l'énergie de collision, " dit Reed. "Nous pouvons accélérer les ions différemment pour obtenir un rapport énergie/masse différent."
A l'aide des différents détecteurs STAR, l'équipe entre en collision avec des ions à différentes énergies de collision. L'objectif est de cartographier le diagramme de phase du plasma quark-gluon, ou les différents points de transition lorsque le matériau change dans des conditions de pression et de température variables. Cartographier le diagramme de phase du plasma quark-gluon permet également de cartographier la force nucléaire forte, autrement connu sous le nom de chromodynamique quantique (QCD), qui est la force qui maintient ensemble les protons chargés positivement.
La photo a été lauréate du Photowalk 2018 du Brookhaven National Laboratory. Crédit :Steven Schreiber
"Il y a un tas de protons et de neutrons au centre d'un ion, " explique Reed. " Ceux-ci sont chargés positivement et devraient repousser, mais il y a une « force forte » qui les maintient ensemble ? assez fort pour surmonter leur tendance à se séparer."
Comprendre le diagramme de phase du plasma quark-gluon, et l'emplacement et l'existence de la transition de phase entre le plasma et la matière normale est d'une importance fondamentale, dit Reed.
"C'est une occasion unique d'apprendre comment l'une des quatre forces fondamentales de la nature fonctionne à des densités de température et d'énergie similaires à celles qui n'existaient que quelques microsecondes après le Big Bang, " dit Reed.
Mise à niveau des détecteurs RHIC pour mieux cartographier la « force forte »
L'équipe STAR utilise un Beam Energy Scan (BES) pour effectuer la cartographie de transition de phase. Au cours de la première partie du projet, connu sous le nom de BES-I, l'équipe a recueilli des preuves observables avec des "résultats intrigants". Reed a présenté ces résultats lors de la 5e réunion conjointe de l'APS Division of Nuclear Physics et de la Physical Society of Japan à Hawaï en octobre 2018 dans une conférence intitulée :« Testing the quark-gluon plasma limit with energy and species scans at RHIC. »
Cependant, statistiques limitées, acceptation, et la mauvaise résolution du plan d'événement n'a pas permis de tirer des conclusions fermes pour une découverte. La deuxième phase du projet, connu sous le nom de BES-II, va de l'avant et comprend une amélioration sur laquelle Reed travaille avec les membres de l'équipe STAR :une mise à niveau du détecteur de plan d'événement. Les collaborateurs comprennent des scientifiques de Brookhaven ainsi que de l'Ohio State University.
L'équipe STAR prévoit de continuer à mener des expériences et à collecter des données en 2019 et 2020, en utilisant le nouveau détecteur de plan d'événement. Selon Reed, le nouveau détecteur est conçu pour localiser avec précision l'endroit où la collision se produit et aidera à caractériser la collision, en particulier à quel point c'est "de front".
« Cela permettra également d'améliorer les capacités de mesure de tous les autres détecteurs, " dit Reed.
La collaboration STAR prévoit de mener ses prochaines expériences au RHIC en mars 2019.
