Imaginez jouer au billard, mettre un peu de rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sur la bille blanche et la regarder dévier vers la droite lorsqu'elle frappe sa bille cible. Avec de la chance, ou de compétence, la bille cible s'enfonce dans la poche d'angle tandis que la bille blanche déviée vers la droite manque de peu une éraflure de la poche latérale. Imaginez maintenant que votre bille blanche tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre frappe une boule de bowling à la place, et dévier encore plus fortement, mais au la gauche -quand il frappe la plus grande masse.

C'est similaire à la situation choquante dans laquelle les scientifiques se sont retrouvés lors de l'analyse des résultats de la rotation de protons frappant des noyaux atomiques de différentes tailles au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) - une installation utilisateur du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) pour la recherche en physique nucléaire au DOE Laboratoire national de Brookhaven. Les neutrons produits lorsqu'un proton en rotation entre en collision avec un autre proton présentent une légère préférence de biais vers la droite. Mais lorsque le proton en rotation entre en collision avec un noyau d'or beaucoup plus gros, la préférence directionnelle des neutrons devient plus grande et bascule vers la gauche.

"Ce que nous avons observé était totalement incroyable, " a déclaré le physicien de Brookhaven Alexander Bazilevsky, un porte-parole adjoint de la collaboration PHENIX au RHIC, qui rapporte ces résultats dans un nouvel article qui vient de paraître dans Lettres d'examen physique . "Nos résultats peuvent signifier que les mécanismes produisant des particules le long de la direction dans laquelle se déplace le proton en rotation peuvent être très différents dans les collisions proton-proton par rapport aux collisions proton-noyau."

La compréhension des différents mécanismes de production de particules pourrait avoir de grandes implications pour l'interprétation d'autres collisions de particules à haute énergie, y compris les interactions des rayons cosmiques de très haute énergie avec des particules dans l'atmosphère terrestre, dit Bazilevski.

Détection des préférences directionnelles des particules

Les physiciens du spin ont d'abord observé la tendance d'un plus grand nombre de neutrons à émerger légèrement vers la droite dans les interactions proton-proton en 2001-2002, lors des premières expériences de protons polarisés du RHIC. RHIC, qui fonctionne depuis 2000, est le seul collisionneur au monde capable de contrôler précisément la polarisation, ou sens de rotation, de collision de protons, c'était donc un nouveau territoire à l'époque. Il a fallu un certain temps aux physiciens théoriciens pour expliquer le résultat. Mais la théorie qu'ils ont développée, publié en 2011, n'a donné aux scientifiques aucune raison de s'attendre à une telle préférence directionnelle lorsque des protons entrent en collision avec des noyaux plus gros, sans parler d'un retournement complet dans la direction de cette préférence.

"Nous avions prévu quelque chose de similaire à l'effet proton-proton, parce que nous ne pouvions penser à aucune raison pour laquelle l'asymétrie pourrait être différente, " a déclaré Itaru Nakagawa, un physicien du laboratoire japonais RIKEN, qui a été coordinateur adjoint de PHENIX pour les mesures de rotation en 2015. « Pouvez-vous imaginer pourquoi une boule de bowling disperserait une bille blanche dans la direction opposée à celle d'une boule de billard cible ? »

2015 a été l'année où RHIC est entré en collision pour la première fois de protons polarisés avec des noyaux d'or à haute énergie, les premières collisions de ce type dans le monde. Minjung Kim, un étudiant diplômé de l'Université nationale de Séoul et du centre de recherche RIKEN-BNL du Brookhaven Lab, a d'abord remarqué l'inclinaison étonnamment dramatique des neutrons et le fait que la préférence directionnelle était opposée à celle observée dans les collisions proton-proton. Bazilevsky a travaillé avec elle sur l'analyse des données et les simulations de détecteurs pour confirmer l'effet et s'assurer qu'il ne s'agissait pas d'un artefact du détecteur ou de quelque chose à voir avec l'ajustement des faisceaux. Puis, Nakagawa a travaillé en étroite collaboration avec les physiciens des accélérateurs sur une série d'expériences pour répéter les mesures dans des conditions contrôlées encore plus précisément.

"C'était vraiment un effort de collaboration entre les expérimentateurs et les physiciens des accélérateurs qui pouvaient régler à la volée une installation d'accélérateur aussi énorme et compliquée pour répondre à nos besoins expérimentaux, " Bazilevsky a dit, exprimant sa gratitude pour ces efforts et son admiration pour la polyvalence et la flexibilité du RHIC.

Les nouvelles mesures, qui comprenait également les résultats de collisions de protons avec des ions d'aluminium de taille intermédiaire, a montré que l'effet était réel et qu'il changeait avec la taille du noyau.

"Nous avons donc trois ensembles de données :la collision de protons polarisés avec des protons, aluminium, et de l'or, " Bazilevsky a déclaré. "L'asymétrie augmente progressivement de négative dans proton-proton - avec plus de neutrons diffusant vers la droite - à presque zéro asymétrie dans proton-aluminium, à une grande asymétrie positive dans les collisions proton-or - avec beaucoup plus de diffusions vers la gauche."

Mécanismes de production de particules

Pour comprendre les conclusions, les scientifiques ont dû examiner de plus près les processus et les forces affectant les particules de diffusion.

« Dans le monde des particules, les choses sont bien plus compliquées que le simple cas de la collision de boules de billard (tournantes), " a déclaré Bazilevsky. " Il existe un certain nombre de processus différents impliqués dans la diffusion des particules, et ces processus eux-mêmes peuvent interagir ou interférer les uns avec les autres."

"L'asymétrie mesurée est la somme de ces interactions ou interférences de différents processus, ", a déclaré Kim.

Nakagawa, qui a dirigé l'interprétation théorique des données expérimentales, détaillé sur les différents mécanismes.

L'idée de base est que, dans le cas de gros noyaux comme l'or, qui ont une très grande charge électrique positive, les interactions électromagnétiques jouent un rôle beaucoup plus important dans la production de particules que dans le cas où deux petits, des protons de même charge entrent en collision.

"Dans les collisions de protons avec des protons, l'effet de la charge électrique est négligeable, " dit Nakagawa. Dans ce cas, l'asymétrie est entraînée par des interactions régies par la force nucléaire forte, comme la théorie développée en 2011 le décrivait correctement. Mais comme la taille, et donc facturer, du noyau augmente, la force électromagnétique prend un rôle plus important et, à un certain point, inverse la préférence directionnelle pour la production de neutrons.

Les scientifiques continueront d'analyser les données de 2015 de différentes manières pour voir comment l'effet dépend d'autres variables, comme la quantité de mouvement des particules dans diverses directions. Ils examineront également comment les préférences des particules autres que les neutrons sont affectées, et travailler avec des théoriciens pour mieux comprendre leurs résultats.

Une autre idée serait d'exécuter une nouvelle série d'expériences de collision de protons polarisés avec d'autres types de noyaux non encore mesurés.

"Si nous observons exactement l'asymétrie que nous prédisons sur la base de l'interaction électromagnétique, alors cela devient une preuve très solide pour soutenir notre hypothèse, " a déclaré Nakagawa.

En plus de fournir un moyen unique de comprendre différents mécanismes de production de particules, ce nouveau résultat s'ajoute à l'histoire déroutante de ce qui cause l'asymétrie de spin transverse en premier lieu - une question ouverte pour les physiciens depuis les années 1970. Ces résultats et d'autres des collisions de protons polarisés du RHIC contribueront à terme à résoudre cette question.