Les découvertes des physiciens de l'Université Rice travaillant au Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe fournissent de nouvelles informations sur un état exotique de la matière appelé "plasma quark-gluon" qui se produit lorsque les protons et les neutrons fondent.

En tant qu'accélérateur de particules le plus puissant sur Terre, le LHC est capable de briser ensemble les noyaux des atomes à presque la vitesse de la lumière. L'énergie libérée dans ces collisions est vaste et permet aux physiciens de recréer le chaud, conditions denses qui existaient dans l'univers primitif. Plasma quark-gluon, ou QGP, est une soupe de particules à haute énergie qui se forme lorsque les protons et les neutrons fondent à des températures approchant plusieurs billions de kelvins.

Dans un article récent de Lettres d'examen physique écrit au nom de plus de 2, 000 scientifiques travaillant sur l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) du LHC, Les physiciens du riz Wei Li et Zhoudunming (Kong) Tu ont proposé une nouvelle approche pour étudier une propriété magnétique caractéristique du QGP appelée « effet magnétique chiral » (CME). Leur approche utilise des collisions entre protons et noyaux de plomb. La CME est un phénomène électromagnétique résultant de la mécanique quantique et également lié aux phases dites topologiques de la matière, un domaine de la physique de la matière condensée qui a attiré de plus en plus l'attention du monde entier depuis l'obtention du prix Nobel de physique en 2016.

" Trouver des preuves de l'effet magnétique chiral et donc des phases topologiques dans la matière chaude QGP est un objectif majeur dans le domaine de la physique nucléaire des hautes énergies depuis un certain temps, " dit Li. " Premières découvertes, bien qu'indicatif de la CME, restent encore peu concluants, principalement à cause d'autres processus d'arrière-plan difficiles à contrôler et à quantifier."

QGP a été produit pour la première fois vers 2000 au collisionneur d'ions lourds relativistes à New York et plus tard au LHC en 2010. Dans ces expériences, les physiciens ont brisé ensemble deux noyaux de plomb rapides, contenant chacun 82 protons et 126 neutrons, les deux éléments constitutifs de tous les noyaux atomiques. Parce que les protons en fusion dans ces collisions portent chacun une charge électrique positive, les QGP de ces expériences contenaient des champs magnétiques extrêmement puissants, qui sont estimés à environ un billion de fois plus fort que le champ magnétique le plus puissant jamais créé dans un laboratoire.

L'effet magnétique chiral est un effet électromagnétique asymétrique exotique qui n'apparaît qu'en raison de la combinaison de la mécanique quantique et des conditions physiques extrêmes dans un QGP. Les lois de l'électrodynamique classique interdiraient l'existence d'un tel état, et en effet, L'inspiration de Li pour les nouvelles expériences est née de la réflexion sur le problème en termes classiques.

"Je me suis inspiré d'un problème dans un cours de premier cycle que j'enseignais sur l'électrodynamique classique, " dit Li.

Il y a deux ans, Li a découvert que les collisions frontales au LHC entre un noyau de plomb et un seul proton créaient de petites quantités de particules qui semblaient se comporter comme un liquide. A une analyse plus approfondie, lui et ses collègues de CMS ont découvert que les collisions créaient de petites quantités de QGP.

Dans un rapport de Rice News de 2015 sur la découverte, Ancien élève de Rice Don Lincoln, un physicien des particules et communicateur en physique au Fermilab, a écrit, "Ce résultat était surprenant car lorsque le proton frappe le noyau de plomb, il perce un trou dans une grande partie du noyau, comme tirer au fusil sur une pastèque (par opposition à la collision de deux noyaux de plomb, ce qui revient à claquer deux pastèques ensemble)."

Li a dit, "Une chose inhabituelle à propos des gouttelettes de QGP créées dans les collisions proton-plomb est la configuration de leurs champs magnétiques. Le QGP est formé près du centre du noyau de plomb initial, ce qui permet de dire facilement que la force du champ magnétique est plutôt négligeable par rapport au QGP créé dans les collisions plomb-plomb. Par conséquent, Les collisions proton-plomb nous fournissent un moyen de désactiver le champ magnétique - et le signal CME - dans un QGP d'une manière bien contrôlée. »

Dans le nouveau journal, Li, Tu et leurs collègues de CMS ont montré des preuves à partir de données de collision proton-plomb qui aident à faire la lumière sur les comportements électromagnétiques qui découlent de l'effet magnétique chiral dans les QGP plomb-plomb.

Li a déclaré que plus de détails doivent encore être élaborés avant qu'une conclusion définitive puisse être tirée, mais il a déclaré que les résultats étaient de bon augure pour les futures découvertes de QGP au LHC.

"Ce n'est qu'un premier pas dans une nouvelle voie ouverte par les collisions proton-noyau pour la recherche de phases topologiques exotiques dans QGP, " a déclaré Li. "Nous travaillons dur pour accumuler plus de données et effectuer une série de nouvelles études. Avec un peu de chance, dans les années à venir, nous verrons la première preuve directe de l'effet magnétique chiral."