Signes révélateurs d'un hypéron lambda (Λ) se désintégrant en un proton (p) et un pion (π-) suivis par la chambre à projection temporelle du détecteur STAR. Parce que le proton sort presque aligné avec la direction de rotation de l'hypéron, le suivi de l'endroit où ces protons « filles » frappent le détecteur peut être un substitut au suivi de l'alignement des spins des hypérons. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les collisions de particules recréant le plasma quark-gluon (QGP) qui a rempli l'univers primitif révèlent que les gouttelettes de cette soupe primordiale tourbillonnent beaucoup plus rapidement que tout autre fluide. La nouvelle analyse des données du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) - une installation utilisateur du département de l'énergie du bureau des sciences des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au laboratoire national de Brookhaven - montre que la "vorticité" du QGP surpasse la dynamique des fluides tourbillonnants des super -les noyaux de tornades cellulaires et la grande tache rouge de Jupiter de plusieurs ordres de grandeur, et bat même le record de rotation le plus rapide détenu par des nanogouttelettes d'hélium superfluide.
Les résultats, vient de paraître dans La nature , ajouter un nouveau record à la liste des propriétés remarquables attribuées au plasma quark-gluon. Cette soupe composée des éléments constitutifs fondamentaux de la matière - quarks et gluons - a une température des centaines de milliers de fois plus élevée que le centre du soleil et une viscosité ultra-faible, ou résistance à l'écoulement, conduisant les physiciens à le décrire comme "presque parfait". En étudiant ces propriétés et les facteurs qui les contrôlent, les scientifiques espèrent percer les secrets de la force la plus puissante et la moins bien comprise de la nature - celle responsable de la liaison des quarks et des gluons aux protons et neutrons qui forment la majeure partie de la matière visible dans l'univers aujourd'hui.
Spécifiquement, les résultats sur le tourbillon, ou mouvement de fluide tourbillonnant, aidera les scientifiques à trier les différentes descriptions théoriques du plasma. Et avec plus de données, cela peut leur donner un moyen de mesurer la force du champ magnétique du plasma - une variable essentielle pour explorer d'autres phénomènes physiques intéressants.
"Jusqu'à maintenant, la grande histoire dans la caractérisation du QGP est que c'est un fluide chaud qui se dilate de manière explosive et s'écoule facilement, " a déclaré Michael Lisa, un physicien de l'Ohio State University (OSU) et un membre de la collaboration STAR du RHIC. "Mais nous voulons comprendre ce fluide à un niveau beaucoup plus fin. Est-ce qu'il thermalise, ou atteindre l'équilibre, assez rapidement pour former des tourbillons dans le fluide lui-même ? Et si oui, comment le fluide réagit-il au tourbillon extrême ?" La nouvelle analyse, qui était dirigée par Lisa et Isaac Upsal, étudiant diplômé de l'OSU, donne à STAR un moyen d'accéder à ces détails les plus fins.
Aligner les rotations
"La théorie est que si j'ai un fluide avec vorticité - une sous-structure tourbillonnante - il a tendance à aligner les spins des particules qu'il émet dans la même direction que les tourbillons, " dit Lisa. Et, alors qu'il peut y avoir de nombreux petits tourbillons dans le QGP pointant tous dans des directions aléatoires, en moyenne, leurs spins devraient s'aligner sur ce que l'on appelle le moment angulaire du système - une rotation du système générée par les particules en collision lorsqu'elles se croisent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.
Le suivi des spins des particules révèle que le plasma quark-gluon créé au collisionneur d'ions lourds relativistes est plus tourbillonnant que les noyaux des tornades supercellulaires, La grande tache rouge de Jupiter, ou tout autre fluide ! Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Pour suivre les particules en rotation et le moment angulaire, Les physiciens de STAR ont corrélé des mesures simultanées sur deux composants différents du détecteur. La première, connu sous le nom de compteurs faisceau-faisceau, asseyez-vous à l'avant et à l'arrière du détecteur STAR de la taille d'une maison, capter de subtiles déviations dans les trajectoires des particules en collision lorsqu'elles se croisent. La taille et la direction de la déviation indiquent aux physiciens quel est le moment angulaire et dans quelle direction il se dirige pour chaque événement de collision.
Pendant ce temps, Chambre de projet de temps de STAR, une chambre remplie de gaz qui entoure la zone de collision, suit les trajectoires de centaines voire de milliers de particules qui sortent perpendiculairement au centre des collisions.
"Nous recherchons spécifiquement des signes d'hypérons Lambda, faire tourner des particules qui se désintègrent en un proton et un pion que nous mesurons dans la chambre de projection temporelle, " dit Ernst Sichtermann, porte-parole adjoint de STAR et scientifique principal au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE. Parce que le proton sort presque aligné avec la direction de rotation de l'hypéron, le suivi de l'endroit où ces protons "filles" frappent le détecteur peut être un substitut au suivi de l'alignement des spins des hypérons.
"Nous recherchons une préférence systématique pour la direction de ces protons filles alignés avec le moment angulaire que nous mesurons dans les compteurs faisceau-faisceau, " a déclaré Upsal. " L'ampleur de cette préférence nous indique le degré de vorticité - le taux moyen de tourbillon - du QGP. "
Super rotation
Les résultats révèlent que les collisions RHIC créent le fluide le plus tourbillonnaire de tous les temps, un QGP qui tourne plus vite qu'une tornade à toute vitesse, plus puissant que le fluide de rotation le plus rapide jamais enregistré. « Donc, le fluide le plus idéal avec la plus petite viscosité a également le plus de vorticité, " dit Lisa.
Le détecteur STAR du collisionneur d'ions lourds relativistes du laboratoire national de Brookhaven avec une image superposée de particules suivies par le détecteur. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Ce genre de sens, car la faible viscosité dans le QGP permet au tourbillon de persister, dit Lisa. "La viscosité détruit les tourbillons. Avec QGP, si vous le faites tourner, il a tendance à continuer à tourner."
Les données sont également à la hauteur de ce que différentes théories ont prédit pour le tourbillon QGP. "Différentes théories prédisent des montants différents, selon les paramètres qu'ils contiennent, nos résultats nous aideront donc à trier ces théories et à déterminer quels facteurs sont les plus pertinents, " a déclaré Sergueï Volochine, un collaborateur STAR de la Wayne State University. "Mais la plupart des prédictions théoriques étaient trop faibles, ", a-t-il ajouté. "Nos mesures montrent que le QGP est encore plus tourbillonnaire que prévu."
Cette découverte a été faite lors du programme Beam Energy Scan, qui exploite la capacité unique du RHIC à faire varier systématiquement l'énergie des collisions sur une plage dans laquelle d'autres phénomènes particulièrement intéressants ont été observés. En réalité, les théories suggèrent que cela peut être la plage optimale pour la découverte et l'étude ultérieure de l'alignement de spin induit par le tourbillon, puisque l'effet devrait diminuer à une énergie plus élevée.
L'augmentation du nombre d'hypérons Lambda suivis dans les futures collisions au RHIC améliorera la capacité des scientifiques de STAR à utiliser ces mesures pour calculer la force du champ magnétique généré lors des collisions au RHIC. La force du magnétisme influence le mouvement des particules chargées lorsqu'elles sont créées et émergent des collisions RHIC, mesurer sa force est donc important pour bien caractériser le QGP, y compris comment il sépare les particules chargées différemment.
"La théorie prédit que le champ magnétique créé dans les expériences d'ions lourds est beaucoup plus élevé que tout autre champ magnétique dans l'univers, " dit Lisa. Au moins, être capable de le mesurer avec précision peut décrocher un autre record pour QGP.
