Aux très hautes énergies, la collision de noyaux atomiques massifs dans un accélérateur génère des centaines voire des milliers de particules qui subissent de nombreuses interactions. Physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie, Pologne, ont montré que le déroulement de ce processus complexe peut être représenté par un modèle étonnamment simple :la matière extrêmement chaude s'éloigne du point d'impact, s'étendant le long de la trajectoire de vol d'origine par stries, et plus la traînée est éloignée du plan de la collision, plus sa vitesse est grande.

Lorsque deux noyaux atomiques massifs entrent en collision à haute énergie, la forme de matière la plus exotique est formée :un plasma de quarks et de gluons se comportant comme un fluide parfait. Ces considérations théoriques montrent qu'après impact, le plasma forme des stries le long de la direction de l'impact, se déplaçant plus vite plus il s'éloigne de l'axe de collision. Le modèle, ses prédictions et les implications pour les données expérimentales jusqu'à présent sont présentées dans la revue Examen physique C .

Les collisions de noyaux atomiques se produisent extrêmement rapidement et à des distances de quelques centaines de femtomètres (c'est-à-dire des centaines de millionièmes d'un milliardième de mètre). Les conditions physiques sont exceptionnellement sophistiquées, et l'observation directe du phénomène n'est actuellement pas possible. Dans de telles situations, la science s'en sort en construisant des modèles théoriques et en comparant leurs prédictions avec les données recueillies lors des expériences. Dans le cas de ces collisions, cependant, un énorme inconvénient est que le conglomérat de particules résultant est le plasma quark-gluon. Les interactions entre quarks et gluons sont dominées par des forces si fortes et complexes que la physique moderne n'est pas capable de les décrire avec précision.

"Notre groupe a décidé de se concentrer sur les phénomènes électromagnétiques se produisant lors de la collision car ils sont beaucoup plus faciles à exprimer dans le langage des mathématiques. En conséquence, notre modèle s'est avéré suffisamment simple pour que nous puissions utiliser les principes de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement sans trop de problèmes. Plus tard, nous avons constaté que malgré les simplifications adoptées, les prédictions du modèle restent à au moins 90 % cohérentes avec les données expérimentales, " déclare le Dr Andrzej Rybicki (FIJ PAN).

Noyaux atomiques massifs accélérés à des vitesses élevées, observé en laboratoire, sont aplatis dans la direction du mouvement en raison des effets de la théorie de la relativité. Lorsque deux de ces "crêpes" proton-neutron volent l'une vers l'autre, la collision n'est généralement pas centrale - seuls certains des protons et des neutrons d'un noyau atteignent l'autre, entrer dans des interactions violentes et former le plasma quark-gluon. À la fois, certains fragments externes des galettes nucléaires ne rencontrent aucun obstacle sur leur chemin, et continuent leur vol ininterrompu; dans le jargon des physiciens, ils sont appelés "spectateurs".

"Notre travail s'est inspiré des données recueillies lors d'expériences antérieures sur les collisions nucléaires, y compris ceux fabriqués à l'accélérateur SPS. Les effets électromagnétiques se produisant dans ces collisions que nous avons examinées ont montré que le plasma de quarks-gluons se déplace à une vitesse d'autant plus élevée qu'il est proche des spectateurs, " dit le Dr Rybicki.

Afin de reproduire cette évolution du phénomène, les physiciens de l'IFJ PAN ont décidé de diviser les noyaux selon la direction du mouvement en une série de bandes — des « briques ». Chaque noyau en coupe ressemblait ainsi à un tas de briques empilées (dans le modèle, leur hauteur était d'un femtomètre). Au lieu de considérer les interactions fortes complexes et les flux de quantité de mouvement et d'énergie entre des centaines et des milliers de particules, le modèle a réduit le problème à plusieurs dizaines de collisions parallèles, chacun se produisant entre deux briques proton-neutron.

Les scientifiques de l'IFJ PAN ont confronté les prédictions du modèle avec des données collectées à partir de collisions de noyaux massifs mesurées par l'expérience NA49 au Super Synchrotron à Protons (SPS). Cet accélérateur est situé au CERN, Organisation européenne pour la recherche nucléaire près de Genève, où l'une de ses tâches les plus importantes est maintenant d'accélérer les particules projetées dans l'accélérateur LHC.

« En raison de l'ampleur des difficultés techniques, les résultats de l'expérience NA49 sont soumis à des incertitudes de mesure spécifiques qu'il est difficile de réduire ou d'éliminer complètement. En réalité, la précision de notre modèle peut même être supérieure aux 90 pour cent déjà mentionnés. Cela nous autorise à dire que même s'il y avait des toujours pas inclus, mécanismes physiques dans les collisions, ils ne devraient plus affecter significativement le cadre théorique du modèle, " déclare le doctorant Miroslaw Kielbowicz (IFJ PAN).

Après avoir développé le modèle de collisions de 'piles de briques, ' les chercheurs de la FIJ PAN ont découvert qu'une structure théorique très similaire, appelé le « modèle de série de feu », ' avait déjà été proposé par un groupe de physiciens du Lawrence Berkeley Laboratory (USA) et du Centre de recherche nucléaire de Saclay en France en 1978.

"Le modèle précédent de traînées de feu qui, En réalité, nous mentionnons dans notre publication, a été construit pour décrire d'autres collisions se produisant à des énergies plus basses. Nous avons créé notre structure de manière indépendante et pour une gamme énergétique différente, " déclare le professeur Antoni Szczurek (FIJ PAN, Université de Rzeszow) et souligne :"L'existence de deux modèles indépendants basés sur une idée physique similaire et correspondant à des mesures dans différentes gammes d'énergie de collisions augmente la probabilité que la base physique sur laquelle ces modèles sont construits soit correcte."

Le modèle de traînée de feu de Cracovie fournit de nouvelles informations sur l'expansion du plasma de quarks et de gluons dans les collisions à haute énergie de noyaux atomiques massifs. L'étude de ces phénomènes se poursuit dans le cadre d'une autre expérience internationale, NA61/SHINE à l'accélérateur SPS.