Notre monde se compose principalement de particules constituées de trois quarks liés par des gluons. Le processus de collage des quarks, appelé hadronisation, est encore mal compris. Physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie, travaillant au sein de la collaboration LHCb, avoir obtenu de nouvelles informations à son sujet, grâce à l'analyse de données uniques collectées lors de collisions de protons à haute énergie dans le LHC.

Lorsque des protons accélérés à la plus grande énergie entrent en collision les uns avec les autres dans le LHC, leurs particules constituantes - quarks et gluons - créent un état intermédiaire déroutant. L'observation que dans les collisions de particules relativement simples comme les protons, cet état intermédiaire présente les propriétés d'un liquide, typique des collisions de structures beaucoup plus complexes (ions lourds), était une grande surprise. Des propriétés de ce type indiquent l'existence d'un nouvel état de la matière :un plasma de quarks-gluons dans lequel les quarks et les gluons se comportent presque comme des particules libres. Ce liquide exotique refroidit instantanément. Par conséquent, les quarks et les gluons se reconnectent dans un processus appelé hadronisation. L'effet de ceci est la naissance des hadrons, particules qui sont des amas de deux ou trois quarks. Grâce à la dernière analyse des données collectées à des énergies de sept téraélectronvolts, des chercheurs de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, travaillant au sein de la collaboration LHCb, acquis de nouvelles informations sur le mécanisme d'hadronisation dans les collisions proton-proton.

"Le rôle principal dans les collisions de protons est joué par l'interaction forte, décrit par la chromodynamique quantique. Les phénomènes se produisant lors du refroidissement du plasma quark-gluon sont, cependant, si complexe en termes de calcul que jusqu'à présent, il n'a pas été possible de comprendre pleinement les détails de l'hadronisation. Et pourtant, c'est un processus d'une importance capitale ! C'est grâce à cela que dans les premiers instants après le Big Bang, la majorité dominante des particules formant notre environnement quotidien était formée de quarks et de gluons, " déclare le Pr. Assoc. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).

Dans le LHC, l'hadronisation est extrêmement rapide, et se produit dans une zone extrêmement petite autour du point de collision de protons :ses dimensions n'atteignent que des femtomètres, ou millionièmes d'un milliardième de mètre. Ce n'est pas étonnant alors, que l'observation directe de ce processus n'est actuellement pas possible. Pour obtenir toute information sur son déroulement, les physiciens doivent recourir à diverses méthodes indirectes. Un rôle clé est joué par l'outil de base de la mécanique quantique :une fonction d'onde dont les propriétés sont cartographiées par les caractéristiques des particules d'un type donné (il est à noter que même si cela fait presque 100 ans depuis la naissance de la mécanique quantique, il existe encore diverses interprétations de la fonction d'onde !).

"Les fonctions d'onde de particules identiques se chevaucheront effectivement, c'est-à-dire interférer. S'ils sont améliorés à la suite d'interférences, on parle de corrélations de Bose-Einstein, si elles sont supprimées - corrélations de Fermi-Dirac. Dans nos analyses, nous étions intéressés par les améliorations, C'est, les corrélations de Bose-Einstein. Nous les recherchions entre les mésons pi volant hors de la zone d'hadronisation dans des directions proches de la direction d'origine des faisceaux de protons en collision, " explique le doctorant Bartosz Malecki (IFJ PAN).

La méthode utilisée a été développée à l'origine pour la radioastronomie et s'appelle l'interférométrie HBT (du nom de ses deux créateurs :Robert Hanbury Brown et Richard Twiss). Lorsqu'il est utilisé en référence aux particules, L'interférométrie HBT permet de déterminer la taille de la zone d'hadronisation et son évolution dans le temps. Il aide à fournir des informations sur, par exemple, si cette zone est différente pour différents nombres de particules émises ou pour leurs différents types.

Les données du détecteur LHCb ont permis d'étudier le processus d'hadronisation dans le domaine des petits angles, c'est-à-dire pour les hadrons produits dans des directions proches de la direction des faisceaux de protons initiaux. L'analyse effectuée par le groupe de l'IFJ PAN a fourni des indications que les paramètres décrivant la source d'hadronisation dans cette région unique couverte par l'expérience LHCb au LHC sont différents des résultats obtenus pour des angles plus grands.

« L'analyse qui a fourni ces résultats intéressants sera poursuivie dans l'expérience LHCb pour différentes énergies de collision et différents types de structures en collision. Grâce à cela, il sera possible de vérifier certains des modèles décrivant l'hadronisation et, par conséquent, pour mieux comprendre le déroulement du processus lui-même, " résume le Pr Mariusz Witek (FIJ PAN).

Les travaux de l'équipe de la FIJ PAN ont été financés en partie par la bourse OPUS du Centre national des sciences polonais.

L'Institut de physique nucléaire Henryk Niewodniczanski (IFJ PAN) est actuellement le plus grand institut de recherche de l'Académie polonaise des sciences. Le large éventail d'études et d'activités de la FIJ PAN comprend la recherche fondamentale et appliquée, allant de la physique des particules à l'astrophysique, par la physique des hadrons, haute-, moyen-, et la physique nucléaire des basses énergies, physique de la matière condensée (y compris génie des matériaux), aux diverses applications des méthodes de la physique nucléaire dans la recherche interdisciplinaire, couvrant la physique médicale, dosimétrie, rayonnement et biologie environnementale, protection environnementale, et d'autres disciplines connexes. Le rendement annuel moyen du IFJ PAN englobe plus de 600 articles scientifiques dans les Journal Citation Reports publiés par Thomson Reuters. La partie de l'Institut est le Cyclotron Centre Bronowice (CCB) qui est une infrastructure, unique en Europe centrale, servir de centre clinique et de recherche dans le domaine de la physique médicale et nucléaire. IFJ PAN est membre du Marian Smoluchowski Krakow Research Consortium :« Matter-Energy-Future » qui possède le statut de Leading National Research Center (KNOW) en physique pour les années 2012-2017. L'institut est de catégorie A+ (niveau de pointe en Pologne) dans le domaine des sciences et de l'ingénierie.