Des particules émergeant même des collisions d'énergie la plus faible de petits deutérons avec de gros noyaux lourds au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) - une installation utilisateur du ministère de l'Énergie des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au laboratoire national de Brookhaven du DOE - exposent des scientifiques du comportement associés à la formation d'une soupe de quarks et de gluons, les éléments constitutifs fondamentaux de presque toute la matière visible. Ces résultats de l'expérience PHENIX du RHIC suggèrent que ces collisions à petite échelle pourraient produire de minuscules, des grains de matière éphémères qui imitent à quoi ressemblait l'univers primitif il y a près de 14 milliards d'années, juste après le Big Bang.

Les scientifiques ont construit le RHIC, en grande partie, pour créer ce "plasma quark-gluon" (QGP) afin qu'ils puissent étudier ses propriétés et apprendre comment la force la plus puissante de la nature rassemble les quarks et les gluons pour former les protons, neutrons, et les atomes qui composent l'univers visible aujourd'hui. Mais ils s'attendaient initialement à voir des signes de QGP uniquement dans les collisions hautement énergétiques de deux ions lourds tels que l'or. Les nouvelles découvertes - des corrélations dans la manière dont les particules émergent des collisions qui sont cohérentes avec ce que les physiciens ont observé dans les collisions de gros ions plus énergétiques - s'ajoutent à un nombre croissant de preuves du RHIC et du Large Hadron Collider (LHC) européen que QGP peut également être créés dans des systèmes plus petits.

La collaboration PHENIX a soumis les résultats dans deux articles distincts aux revues Lettres d'examen physique et examen physique C, et présentera ces résultats lors d'une réunion à Cracovie, Pologne cette semaine.

"Ce sont les premiers articles qui sortent des collisions deutéron-or de 2016, et c'est une indication que nous créons probablement QGP dans de petits systèmes, " a déclaré Julia Velkovska, un porte-parole adjoint de PHENIX de l'Université Vanderbilt. "Mais il y a d'autres choses que nous avons vues dans les grands systèmes que nous devons encore étudier dans ces nouvelles données. Nous chercherons d'autres preuves de QGP dans les petits systèmes en utilisant différentes manières d'étudier les propriétés du système que nous créent, " elle a dit.

Flux collectif

L'un des premiers signes que les collisions de RHIC de deux ions d'or créaient QGP est venu sous la forme d'un « flux collectif » de particules. Plus de particules ont émergé de "l'équateur" de deux ions en collision semi-chevauchant que perpendiculairement à la direction de collision. Ce modèle d'écoulement elliptique, les scientifiques croient, est causée par les interactions des particules avec le QGP presque "parfait" - c'est-à-dire à écoulement libre - semblable à un liquide créé lors des collisions. Depuis, les collisions de particules plus petites avec des ions lourds ont abouti à des schémas d'écoulement similaires au RHIC et au LHC, quoique à plus petite échelle. Il a également été prouvé que les schémas d'écoulement ont une forte relation avec la forme géométrique de la particule de projectile qui entre en collision avec le plus gros noyau.

« Avec ces résultats en main, nous voulions essayer des systèmes de plus en plus petits à différentes énergies, " dit Velkovska. " Si vous changez l'énergie, vous pouvez modifier le temps que le système reste en phase liquide, et peut-être le faire disparaître."

En d'autres termes, ils voulaient voir s'ils pouvaient désactiver la création de QGP.

"Après tant d'années, nous avons appris que lorsque QGP est créé dans les collisions, nous savons comment le reconnaître, mais cela ne veut pas dire que nous comprenons vraiment comment cela fonctionne, " Velkovska a déclaré. "Nous essayons de comprendre comment le comportement de fluide parfait émerge et évolue. Ce que nous faisons maintenant - descendre en énergie, changer la taille - est un effort pour apprendre comment ce comportement se produit dans différentes conditions. RHIC est le seul collisionneur au monde qui permet une telle gamme d'études sur différentes énergies de collision avec différentes espèces de particules en collision."

Baisser l'énergie

Sur une période d'environ cinq semaines en 2016, l'équipe PHENIX a exploré les collisions de deutons (constitués d'un proton et d'un neutron) avec des ions d'or à quatre énergies différentes (200, 62.4, 39, et 19,6 milliards d'électrons-volts, ou GeV).

« Grâce à la polyvalence du RHIC et à la capacité du personnel du département Collider-Accelerator de Brookhaven à commuter et régler rapidement la machine pour différentes énergies de collision, PHENIX a pu enregistrer plus de 1,5 milliard de collisions dans ce court laps de temps, ", a déclaré Velkovska.

Pour le document soumis au PRC, Darren McGlinchey, un collaborateur PHENIX du Laboratoire National de Los Alamos, a mené une analyse de la façon dont les particules ont émergé le long du plan elliptique des collisions en fonction de leur quantité de mouvement, à quel point les collisions étaient centrales (qui se chevauchaient complètement), et combien de particules ont été produites.

"L'utilisation d'un projectile deutéron produit une forme très elliptique, et nous avons observé une persistance de cette géométrie initiale dans les particules que nous détectons, même à basse énergie, " a déclaré McGlinchey. Une telle persistance de forme pourrait être causée par une interaction avec un QGP créé dans ces collisions. " Ce résultat n'est pas une preuve suffisante pour déclarer que QGP existe, mais c'est une preuve de montage pour cela, " il a dit.

Ron Belmont, un collaborateur PHENIX de l'Université du Colorado, a mené une analyse de la corrélation entre les schémas d'écoulement de plusieurs particules (deux et quatre particules à chaque énergie et six à l'énergie la plus élevée). Ces résultats ont été soumis au PRL.

"Nous avons trouvé un modèle très similaire dans les corrélations à deux et quatre particules pour toutes les différentes énergies, et dans les corrélations à six particules à l'énergie la plus élevée également, ", a déclaré Belmont.

"Les deux résultats confirment que le flux de particules est observé jusqu'à l'énergie la plus basse. Les deux articles travaillent donc ensemble pour brosser un beau tableau, " il ajouta.

Il y a d'autres explications possibles pour les résultats, y compris l'existence postulée d'une autre forme de matière connue sous le nom de condensat de verre coloré qui serait dominée par la présence de gluons au cœur de toute matière visible.

"Pour distinguer le condensat de verre de couleur du QGP, nous avons besoin de descriptions théoriques plus détaillées de ce à quoi ressemblent ces choses, ", a déclaré Belmont.

Velkovska a noté que de nombreux nouveaux étudiants ont été recrutés pour poursuivre l'analyse des données existantes de l'expérience PHENIX, qui a cessé de prendre des données après la course de 2016 pour faire place à un détecteur remanié connu sous le nom de sPHENIX.

"Il y a beaucoup plus à venir de PHENIX, " elle a dit.