Les physiciens nucléaires tentent de comprendre comment des particules appelées quarks et gluons se combinent pour former des hadrons, particules composites constituées de deux ou trois quarks. Pour étudier ce processus, appelé hadronisation, une équipe de physiciens nucléaires a utilisé le détecteur STAR du collisionneur d'ions lourds relativistes - une installation utilisateur du ministère de l'Énergie des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au laboratoire national de Brookhaven du DOE - pour mesurer l'abondance relative de certains hadrons à deux et trois quarks créé dans les collisions énergétiques de noyaux d'or. Les collisions "font fondre" momentanément les frontières entre les protons et les neutrons individuels qui composent les noyaux d'or afin que les scientifiques puissent étudier comment leurs blocs de construction internes, les quarks et les gluons, recombiner.

Les physiciens de STAR ont étudié des particules contenant des quarks lourds "de charme", qui sont plus faciles à suivre que les particules plus légères, pour voir comment les mesures correspondaient aux prédictions de différentes explications de l'hadronisation. Les mesures, Publié dans Lettres d'examen physique , a révélé beaucoup plus de hadrons à trois quarks que ce qui aurait été attendu par une explication largement acceptée de l'hadronisation connue sous le nom de fragmentation. Les résultats suggèrent que, au lieu, les quarks de la soupe de particules denses créée au RHIC se recombinent plus directement par un mécanisme connu sous le nom de coalescence.

"Les hadrons constitués de deux ou trois quarks sont les éléments constitutifs de la matière visible dans notre monde, y compris les protons et les neutrons qui composent les noyaux des atomes. Mais nous ne voyons jamais leurs éléments constitutifs internes - les quarks et les gluons - comme des objets libres parce que les quarks sont toujours « confinés » dans des particules composites, " dit Xin Dong, un physicien au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) du DOE et un chef de file de cette analyse pour la collaboration STAR.

Les collisions d'ions lourds du RHIC créent un état de la matière connu sous le nom de plasma quark-gluon (QGP), une soupe de particules chaudes qui imite à quoi ressemblait l'univers primitif, dans lequel les quarks sont "déconfinés, " ou libérer, de leurs limites ordinaires au sein de particules composites appelées hadrons.

"En suivant les particules qui sortent des collisions du RHIC, nous pouvons explorer le mécanisme de l'hadronisation et comment la force nucléaire forte maintient les quarks confinés dans la matière ordinaire, " dit Hélène Caines, professeur à l'Université de Yale et co-porte-parole de la collaboration STAR.

Les physiciens de STAR ont mesuré les hadrons charmés (hadrons contenant des quarks lourds "charm") à l'aide du Heavy Flavor Tracker (HFT) haute résolution installé au centre de la chambre de projection temporelle de 4 mètres de large du détecteur STAR du RHIC.

"Le HFT 'zoome' sur des particules telles que le lambda charmé à trois quarks, qui se désintègre à moins de 0,1 millimètre du centre de la collision, " a déclaré Flemming Videbaek, physicien du Brookhaven Lab, le chef de projet STAR HFT.

Combinant des "coups" dans le HFT avec des mesures des produits de désintégration plus loin dans le détecteur STAR, les physiciens peuvent compter combien de lambdas charmés à trois quarks par rapport aux particules « D-zéro » (D0) charmées à deux quarks émergent du QGP.

"Nous avons utilisé une technique d'apprentissage automatique supervisé pour supprimer le grand fond pour la détection des particules lambda charmées, " a déclaré Sooraj Radhakrishnann, un boursier postdoctoral de la Kent State University et du Berkeley Lab qui a effectué l'analyse principale.

Les résultats de STAR comptaient les lambdas charmés et les particules D0 en nombre presque égal. C'était bien plus de lambdas charmés que ce qui avait été prédit par un mécanisme d'hadronisation bien accepté connu sous le nom de fragmentation.

"La fragmentation décrit avec précision de nombreux résultats expérimentaux d'expériences de physique des particules à haute énergie, ", a déclaré Dong. Le mécanisme implique des quarks ou des gluons énergétiques "excitant" le vide et "se dédoublant" pour former des paires quark-antiquark. Au fur et à mesure que le processus de séparation progresse, il crée une réserve abondante de quarks et d'antiquarks qui peuvent se combiner pour former des hadrons à deux et trois quarks, il expliqua.

Mais l'explication de la fragmentation prédit que moins de particules lambda charmées que de particules D0 devraient émerger des collisions d'ions lourds dans la gamme de quantité de mouvement mesurée au RHIC. L'observation par STAR de « l'amélioration du baryon charmé » (résultant en un nombre presque égal de particules charmées lambda et D0) soutient un mécanisme alternatif pour l'hadronisation. Connu sous le nom de coalescence, cette explication postule que la densité de la soupe de particules QGP du RHIC rapproche suffisamment les quarks pour leur permettre de se recombiner directement en particules composites.

"Les résultats de STAR suggèrent que la coalescence joue un rôle important dans l'hadronisation des quarks charmés dans les collisions d'ions lourds, au moins dans la plage de quantité de mouvement mesurée dans cette expérience, " dit Dong.

Comprendre le mécanisme de la coalescence peut offrir de nouvelles perspectives qui aident à révéler comment les quarks et les gluons se confinent dans les hadrons pour construire la structure des noyaux atomiques, le cœur de la matière qui compose tout ce qui est visible dans notre monde.