Grâce à un nouveau développement de la théorie de la physique nucléaire, les scientifiques qui explorent les boules de feu en expansion qui imitent l'univers primitif ont de nouveaux signes à rechercher alors qu'ils tracent la transition du plasma primordial à la matière telle que nous la connaissons. Le travail théorique, décrit dans un article récemment publié en tant que suggestion de l'éditeur dans Lettres d'examen physique ( PRL ), identifie des modèles clés qui seraient la preuve de l'existence d'un "point critique" dans la transition entre les différentes phases de la matière nucléaire. Comme les points de congélation et d'ébullition qui délimitent les différentes phases de l'eau - liquide, glace solide, et la vapeur - les points que les physiciens nucléaires cherchent à identifier les aideront à comprendre les propriétés fondamentales de la structure de notre univers.

Les physiciens nucléaires créent les boules de feu en faisant entrer en collision des noyaux ordinaires – constitués de protons et de neutrons – dans un « briseur d'atomes » appelé le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), une installation d'utilisateurs de l'Office of Science du département de l'Énergie des États-Unis au Brookhaven National Laboratory. Les smashups subatomiques génèrent des températures mesurant des milliards de degrés, assez chaud pour "fondre" les protons et les neutrons et libérer leurs éléments constitutifs internes, les quarks et les gluons. Le collisionneur remonte essentiellement le temps pour recréer le "plasma quark-gluon" (QGP) qui existait juste après le Big Bang. En traquant les particules qui émergent des boules de feu, les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur les transitions de phases nucléaires, à la fois la fusion et la façon dont les quarks et les gluons « gèlent » comme ils l'ont fait à l'aube des temps pour former la matière visible du monde d'aujourd'hui.

"Nous voulons comprendre les propriétés de QGP, " a déclaré le théoricien nucléaire Raju Venugopalan, l'un des auteurs du nouveau document. "Nous ne savons pas comment ces propriétés pourraient être utilisées, mais il y a 100 ans, nous ne savions pas comment nous utiliserions les propriétés collectives des électrons, qui constituent aujourd'hui la base de la quasi-totalité de nos technologies. À l'époque, les électrons étaient tout aussi exotiques que les quarks et les gluons le sont maintenant."

Phases changeantes

Les physiciens du RHIC pensent que deux types différents de changements de phase peuvent transformer le QGP chaud en protons et neutrons ordinaires. Surtout, ils soupçonnent que le type de changement dépend de l'énergie de collision, qui détermine les températures générées et le nombre de particules prises dans la boule de feu. Ceci est similaire à la façon dont les points de congélation et d'ébullition de l'eau peuvent changer dans différentes conditions de température et de densité des molécules d'eau, Venugopalan a expliqué.

Dans les collisions RHIC à basse énergie, les scientifiques soupçonnent que si le changement de phase du QGP aux protons/neutrons ordinaires se produit, les deux états distincts (QGP et matière nucléaire ordinaire) coexistent, tout comme des bulles de vapeur et d'eau liquide coexistent à la même température dans une casserole d'eau bouillante. C'est comme si les quarks et les gluons (ou molécules d'eau liquide) devaient s'arrêter à cette température et payer un tribut avant de pouvoir gagner l'énergie nécessaire pour s'échapper sous forme de QGP (ou vapeur).

En revanche, dans les collisions à plus haute énergie, il n'y a pas de péage à la température de transition où les quarks et les gluons doivent « s'arrêter ». Au lieu de cela, ils se déplacent sur un chemin continu entre les deux phases.

Mais que se passe-t-il entre ces royaumes à basse énergie et à haute énergie ? Comprendre cela est maintenant l'un des principaux objectifs de ce que l'on appelle le « scan énergétique du faisceau » au RHIC. En entrant systématiquement en collision des noyaux à une large gamme d'énergies, Les physiciens de la collaboration STAR du RHIC recherchent la preuve d'un point spécial sur leur carte de ces phases nucléaires et des transitions entre elles :le diagramme de phase nucléaire.

A ce soi-disant "point critique, " il y aurait un arrêt de péage, mais le coût serait de 0 $, Ainsi, les quarks et les gluons pourraient passer des protons et neutrons au QGP très rapidement, presque comme si toute l'eau du pot se transformait en vapeur en un seul instant. Cela peut se produire lorsque l'eau atteint son point d'ébullition sous haute pression, où la distinction entre les phases liquide et gazeuse comprimée s'estompe au point que les deux sont pratiquement indiscernables. Dans le cas de QGP, les physiciens s'attendraient à voir des signes de cet effet dramatique - des schémas dans les fluctuations des particules observées frappant leurs détecteurs - à mesure qu'ils se rapprochent de ce point critique.

Dans des expériences déjà menées aux énergies intermédiaires, Les physiciens de STAR ont observé de tels modèles, qui peuvent être des signes du point critique hypothétique. Cette recherche se poursuivra avec une précision accrue sur une plus large gamme d'énergies lors d'un second balayage énergétique du faisceau, à partir de 2019. Les nouveaux travaux théoriques du physicien de Brookhaven Swagato Mukherjee, Venugopalan, et l'ancien postdoctorant Yi Yin (maintenant au MIT) - qui fait partie d'une collaboration topique récemment financée par Beam Energy Scan Theory (BEST) en théorie nucléaire - fournira une feuille de route pour guider les chercheurs expérimentaux.

Des balises à rechercher

Certaines caractéristiques des modèles qui se produisent pendant les changements de phase sont universelles, peu importe si vous étudiez l'eau, ou quarks et gluons, ou des aimants. Mais une avancée clé du nouveau travail théorique était l'utilisation d'un ensemble différent de caractéristiques universelles pour tenir compte des conditions dynamiques du plasma quark-gluon en expansion.

"Toutes les prédictions, la façon dont nous avons commencé à chercher un point critique jusqu'à présent, étaient basées sur des modèles calculés en supposant que vous avez une casserole bouillante sur une cuisinière - un système quelque peu statique, " a déclaré Mukherjee. "Mais QGP s'étend et change au fil du temps. C'est plus comme de l'eau bouillante car elle s'écoule rapidement dans un tuyau."

Pour tenir compte des conditions évolutives du QGP dans leurs calculs, les théoriciens ont incorporé des "universalités dynamiques" qui ont d'abord été développées pour décrire la formation de modèles similaires dans l'expansion cosmologique de l'univers lui-même.

"Ces idées ont depuis été appliquées à d'autres systèmes comme l'hélium liquide et les cristaux liquides, " a déclaré Venugopalan. " Yin s'est rendu compte que les mécanismes spécifiques d'universalité dynamique identifiés dans la cosmologie et les systèmes de matière condensée peuvent être appliqués à la recherche du point critique dans les collisions d'ions lourds. Cet article est la première démonstration explicite de cette conjecture."

Spécifiquement, l'article prédit exactement les modèles à rechercher dans les données - les modèles dans lesquels les propriétés des particules émises par les collisions sont corrélées - à mesure que l'énergie des collisions change.

« Si la collaboration STAR examine les données d'une manière particulière et voit ces modèles, ils peuvent affirmer sans ambiguïté qu'ils ont vu un point critique, ", a déclaré Venugopalan.