Les nouveaux résultats des détecteurs de particules de précision du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) offrent un nouvel aperçu des interactions de particules qui ont lieu dans le cœur des étoiles à neutrons et donnent aux physiciens nucléaires une nouvelle façon de rechercher des violations des symétries fondamentales dans l'univers. Les résultats, vient de paraître dans Physique de la nature , ne pouvait être obtenu que dans un puissant collisionneur d'ions tel que le RHIC, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire national de Brookhaven du DOE.

Les mesures de précision révèlent que l'énergie de liaison qui maintient ensemble les composants du noyau de "matière étrange" le plus simple, connu sous le nom d'"hypertriton, " est supérieur à celui obtenu par le précédent, expériences moins précises. La nouvelle valeur pourrait avoir des implications astrophysiques importantes pour comprendre les propriétés des étoiles à neutrons, où la présence de particules contenant des quarks dits « étranges » est prédite comme courante.

La deuxième mesure était une recherche d'une différence entre la masse de l'hypertriton et son homologue antimatière, l'antihypertriton (le premier noyau contenant un antiquark étrange, découvert au RHIC en 2010). Les physiciens n'ont jamais trouvé de différence de masse entre les partenaires matière-antimatière, donc en voir une serait une grande découverte. Ce serait la preuve d'une violation du « CPT » - une violation simultanée de trois symétries fondamentales dans la nature concernant l'inversion de la charge, parité (symétrie miroir), et le temps.

"Les physiciens ont vu la violation de la parité, et violation de CP ensemble (chacun gagnant un prix Nobel pour Brookhaven Lab[—), mais jamais CPT, " a déclaré Zhangbu Xu, physicien de Brookhaven, co-porte-parole de l'expérience STAR du RHIC, où la recherche sur l'hypertriton a été effectuée.

Mais personne n'a recherché une violation du CPT dans l'hypertriton et l'antihypertriton, il a dit, "parce que personne d'autre ne le pouvait encore."

Le précédent test CPT du noyau le plus lourd a été réalisé par la collaboration ALICE au Large Hadron Collider (LHC) d'Europe. avec une mesure de la différence de masse entre l'hélium-3 ordinaire et l'antihélium-3. Le résultat, ne montrant aucune différence significative, a été publié dans Physique de la nature en 2015.

Alerte spoiler :Les résultats STAR ne révèlent également aucune différence de masse significative entre les partenaires matière-antimatière explorés au RHIC, il n'y a donc toujours aucune preuve de violation du CPT. Mais le fait que les physiciens de STAR aient même pu effectuer les mesures témoigne des capacités remarquables de leur détecteur.

Étrange matière

Les noyaux de matière normale les plus simples ne contiennent que des protons et des neutrons, avec chacune de ces particules constituées de quarks "up" et "down" ordinaires. Dans les hypertritons, un neutron est remplacé par une particule appelée lambda, qui contient un quark étrange avec les variétés up et down ordinaires.

De tels remplacements de matière étrange sont courants dans les conditions ultra-denses créées lors des collisions du RHIC et sont également probables dans les noyaux des étoiles à neutrons où une seule cuillère à café de matière pèserait plus d'un milliard de tonnes. C'est parce que la densité élevée rend la fabrication de quarks étranges moins coûteuse en énergie que les variétés up et down ordinaires.

Pour cette raison, Les collisions RHIC donnent aux physiciens nucléaires un moyen de scruter les interactions subatomiques au sein d'objets stellaires distants sans jamais quitter la Terre. Et parce que les collisions RHIC créent des hypertritons et des antihypertritons en quantités presque égales, ils offrent également un moyen de rechercher une violation du CPT.

Mais trouver ces particules rares parmi les milliers qui découlent de chaque écrasement de particules RHIC - avec des collisions se produisant des milliers de fois par seconde - est une tâche ardue. Ajoutez au défi le fait que ces particules instables se désintègrent presque aussitôt qu'elles se forment, à quelques centimètres du centre du détecteur STAR de quatre mètres de large.

Détection de précision

Heureusement, les composants du détecteur ajoutés à STAR pour suivre différents types de particules ont rendu la recherche un jeu d'enfant. Ces composants, appelé le "Traqueur de saveurs lourdes, " sont situés très près du centre du détecteur STAR. Ils ont été développés et construits par une équipe de collaborateurs STAR dirigée par des scientifiques et des ingénieurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE. Ces composants internes permettent aux scientifiques de faire correspondre les traces créées par la désintégration produits de chaque hypertriton et antihypertriton avec leur point d'origine juste à l'extérieur de la zone de collision.

"Ce que nous recherchons, ce sont les particules 'filles' - les produits de désintégration qui frappent les composants du détecteur sur les bords extérieurs de STAR, ", a déclaré le physicien du Berkeley Lab, Xin Dong. L'identification des traces de paires ou de triplets de particules filles qui proviennent d'un seul point juste à l'extérieur de la zone de collision primaire permet aux scientifiques de prélever ces signaux dans la mer d'autres particules provenant de chaque collision RHIC.

"Ensuite, nous calculons la quantité de mouvement de chaque particule fille à partir d'une désintégration (en fonction de leur courbure dans le champ magnétique de STAR), et à partir de là, nous pouvons reconstruire leurs masses et la masse de la particule d'hypertriton ou d'antihypertriton parent avant sa désintégration, " a expliqué Declan Keane de la Kent State University (KSU). Il est facile de distinguer l'hypertriton et l'antihypertriton car ils se désintègrent en filles différentes, il ajouta.

"L'équipe de Keane, dont Irakli Chakeberia, s'est spécialisé dans le suivi de ces particules à travers les détecteurs pour « relier les points, '", a déclaré Xu. "Ils ont également fourni une visualisation indispensable des événements."

Comme indiqué, la compilation des données de nombreuses collisions n'a révélé aucune différence de masse entre les hypernoyaux de matière et d'antimatière, il n'y a donc aucune preuve de violation du CPT dans ces résultats.

Mais lorsque les physiciens de STAR ont examiné leurs résultats pour l'énergie de liaison de l'hypertriton, il s'est avéré être plus grand que ce que les mesures précédentes des années 1970 avaient trouvé.

Les physiciens de STAR ont dérivé l'énergie de liaison en soustrayant leur valeur pour la masse de l'hypertriton des masses connues combinées de ses particules de base :un deutéron (un état lié d'un proton et d'un neutron) et un lambda.

"L'hypertriton pèse moins que la somme de ses parties parce qu'une partie de cette masse est convertie en énergie qui lie les trois nucléons ensemble, " a déclaré Jinhui Chen, collaborateur de l'Université Fudan STAR, dont le doctorat étudiant, Peng Liu, analysé les grands ensembles de données pour arriver à ces résultats. "Cette énergie de liaison est vraiment une mesure de la force de ces interactions, notre nouvelle mesure pourrait donc avoir des implications importantes pour comprendre "l'équation d'état" des étoiles à neutrons, " il ajouta.

Par exemple, dans les calculs de modèles, la masse et la structure d'une étoile à neutrons dépendent de la force de ces interactions. "Il y a un grand intérêt à comprendre comment ces interactions - une forme de force forte - sont différentes entre les nucléons ordinaires et les nucléons étranges contenant, vers le bas, et des quarks étranges, " dit Chen. " Parce que ces hypernoyaux contiennent un seul lambda, c'est l'un des meilleurs moyens de faire des comparaisons avec des prédictions théoriques. Cela réduit le problème à sa forme la plus simple."