En découvrant les signatures des particules qui se désintègrent à quelques dixièmes de millimètre du centre d'une boule de feu de mille milliards de degrés qui imite l'univers primitif, des physiciens nucléaires brisant des atomes au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) révèlent de nouveaux détails sur les particules fondamentales qui composent notre monde.

Les collisions de particules au RHIC, une installation utilisateur du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) située au Brookhaven National Laboratory du DOE, recréent régulièrement de minuscules spécifications de plasma quark-gluon (QGP), un mélange de quarks et de gluons, les éléments constitutifs fondamentaux de la matière visible, qui existait pour la dernière fois sous forme de particules libres il y a environ 14 milliards d'années. Les collisions libèrent les quarks et les gluons de leur confinement dans des particules ordinaires (par exemple, protons et neutrons) afin que les physiciens nucléaires puissent étudier leurs interactions et la force qui les maintient ensemble dans l'univers aujourd'hui.

Les nouvelles mesures, décrit dans un article qui vient de paraître dans Lettres d'examen physique , sont les premiers à provenir d'une mise à niveau de précision du détecteur STAR de RHIC connu sous le nom de "Heavy Flavor Tracker" (HFT). Spécifiquement, l'article donne des détails sur la première mesure directe au RHIC de la façon dont un type de particule lourde contenant un quark "charm" est pris dans le flux de la boule de feu en expansion. Cette mesure, témoignage des capacités du HFT, offre aux scientifiques une nouvelle fenêtre pour comprendre les interactions des particules qui composent la soupe subatomique.

"En comparant nos mesures avec des prédictions théoriques qui incluent les différents paramètres qui jouent un rôle dans ces interactions - des choses comme le coefficient de diffusion (à quelle vitesse les quarks charmés se propagent dans le plasma) et la viscosité (à quel point le QGP est collant) - nous pouvons apprendre sur la façon dont ces différentes propriétés sont liées les unes aux autres, et finalement pourquoi le QGP se comporte comme il le fait, " a déclaré Flemming Videbaek, physicien de Brookhaven, le chef de projet responsable de la fabrication globale du STAR HFT.

Suivi des particules de précision

Les particules contenant des quarks lourds sont considérées comme des sondes idéales pour comprendre le plasma quark-gluon car elles peuvent interagir différemment avec le plasma que les quarks légers, offrant des indices subtils sur ses propriétés. Mais le QGP ne crache que rarement des particules contenant des quarks lourds, parmi des milliers d'autres particules constituées de variétés plus légères de quarks. Les quelques particules lourdes qui émergent se désintègrent presque instantanément en d'autres particules, à quelques fractions de millimètre de la boule de feu QGP dans laquelle elles ont été créées. Cette rareté et cette dégradation rapide rendent les particules lourdes difficiles à détecter.

HFT de STAR, un dispositif de localisation à la pointe de la technologie maintenant installé au centre du détecteur de la taille d'une maison, a été conçu pour suivre les particules lourdes insaisissables mais importantes. Développé par des physiciens nucléaires du Lawrence Berkeley National Laboratory, le HFT est le premier détecteur au silicium d'un collisionneur qui utilise la technologie de capteur à pixels actifs monolithiques, la même technologie que celle utilisée dans les appareils photo numériques. Les capteurs ultrafins, contrairement à de nombreux composants de détection de particules de STAR, se trouvent très près du tube de faisceau central dans lequel les collisions ont lieu. Bien qu'il ne soit pas assez proche pour détecter le quark charme lourd lui-même, cet emplacement et la haute résolution du détecteur (360 millions de pixels de 20 x 20 microns chacun) lui permettent de détecter les signes de désintégration des particules lourdes.

Pour cette étude particulière, Les physiciens de STAR suivaient des particules appelées kaons et pions qui émergent lorsque des particules contenant des quarks charmés, connues sous le nom de désintégration D-zéros. Un effort concerté de nombreux groupes de la collaboration, y compris des chercheurs du Brookhaven National Laboratory, Laboratoire national Lawrence Berkeley, Université d'État de Kent, et l'Université de l'Illinois à Chicago—ont fait de cette analyse un succès en peu de temps.

"Nous utilisons le HFT pour rechercher des kaons et des pions très proches les uns des autres - à quelques fractions de millimètre les uns des autres - dont les chemins de la collision émergent d'un seul point éloigné du sommet de collision, mais pas très loin, environ 100-500 microns, " a déclaré Videbaek. C'est la distance que les D0 parcourent avant de se décomposer, il expliqua. Si le kaon et le pion ont juste la bonne masse et les bonnes trajectoires émergeant d'un tel point, les scientifiques peuvent conclure qu'ils proviennent d'un D0 à cet endroit et utiliser ces mesures pour suivre l'émergence de D0 de tout autour du QGP.

« La précision de notre mesure est sans précédent, " dit Xin Dong, un physicien du Berkeley Lab qui a dirigé les post-doctorants et les étudiants effectuant l'analyse physique sur les résultats des arômes lourds. "C'était extrêmement difficile en raison des interférences de milliers d'autres particules produites dans les mêmes collisions d'ions lourds, un peu comme si on sortait une aiguille d'une botte de foin."

Des interactions fluides

Les résultats, basés sur une analyse de dizaines de milliers de ces "aiguilles" dans 1,1 milliard de collisions, étaient quelque peu surprenants.

Pensez à la forme créée lorsque deux ions d'or sphériques entrent en collision hors du centre formant un chevauchement oblong, quelque chose comme un ballon de football debout. Les physiciens de STAR ont trouvé plus de D0 émergeant de la partie grasse du "football" que de ses extrémités pointues. Ce modèle de "flux elliptique" était familier des mesures de particules plus légères émergeant du QGP. Mais les physiciens nucléaires ne s'attendaient pas au départ à ce que des particules aussi lourdes soient prises dans le flux.

"Les D0 sont créés dans la toute première partie de la collision, quand les quarks et les gluons sont libres, " a déclaré Videbaek. " Les physiciens ne pensaient pas que ces particules de quarks lourds auraient le temps d'interagir, ou équilibrer, avec le QGP, qui n'existe que pour une fraction de seconde infinitésimale."

Au lieu, le fait que les quarks lourds présentent le même flux elliptique que les particules plus légères prouve qu'ils sont en équilibre, interagissant avec les quarks et gluons libres dans le QGP.

"Le type de flux que nous avons observé pour les particules contenant des quarks lourds suggère que leurs interactions à l'intérieur du plasma quark-gluon sont si fortes que les quarks lourds eux-mêmes font partie de la soupe quark-gluon, '", a déclaré Dong.

Grazyna Odyniec, chef du programme de collisions nucléaires relativistes de Berkeley Lab, ajoutée, "La découverte du flux elliptique d'un quark charm très massif est d'une importance fondamentale pour notre compréhension de la dynamique de la phase plasma quark-gluon. Elle ouvre un large éventail de spéculations théoriques sur la nature d'un mécanisme possible (ou de mécanismes) derrière ce observation."

Zhangbu Xu, physicien de Brookhaven Lab et porte-parole de la collaboration STAR, a noté que la capacité de suivre le flux et la diffusion des particules lourdes donne aux physiciens nucléaires une nouvelle façon de "voir" et d'étudier les interactions des quarks et gluons en mouvement libre et d'autres propriétés du QGP. — un peu analogue à la façon dont les scientifiques du siècle dernier ont suivi les vibrations des grains de pollen dans l'eau pour en apprendre davantage sur ses propriétés.

"Einstein a prouvé en 1905 que les atomes et les molécules existent, et que nous pourrions utiliser le soi-disant mouvement brownien des grains de pollen pour mesurer les propriétés du fluide et d'autres constantes physiques fondamentales, " dit Xu. " Maintenant, nous pouvons utiliser les quarks charmés comme les grains de pollen pour mesurer le flux et d'autres propriétés du QGP. "