Des physiciens nucléaires analysant les données du détecteur PHENIX du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) - une installation utilisateur du bureau des sciences du département américain de l'Énergie (DOE) pour la recherche en physique nucléaire au laboratoire national de Brookhaven - ont publié dans le journal Physique de la nature des preuves supplémentaires que les collisions de minuscules projectiles avec des noyaux d'or créent de minuscules taches du fluide parfait qui a rempli l'univers primitif.

Les scientifiques étudient cette soupe chaude composée de quarks et de gluons - les éléments constitutifs des protons et des neutrons - pour en savoir plus sur la force fondamentale qui maintient ces particules ensemble dans la matière visible qui compose notre monde aujourd'hui. La capacité de créer de si petites particules de la soupe primordiale (connue sous le nom de plasma quark-gluon) était initialement inattendue et pourrait offrir un aperçu des propriétés essentielles de cette forme remarquable de matière.

"Ce travail est l'aboutissement d'une série d'expériences conçues pour modifier la forme des gouttelettes de plasma quark-gluon, " a déclaré Jamie Nagle, collaborateur de PHENIX de l'Université du Colorado, Rocher, qui ont aidé à concevoir le plan expérimental ainsi que les simulations théoriques que l'équipe utiliserait pour tester leurs résultats.

Le dernier article de la collaboration PHENIX comprend une analyse complète des collisions entre petits projectiles (protons simples, deutérons à deux particules, et noyaux d'hélium-3 à trois particules) avec de gros noyaux d'or "cibles" se déplaçant dans la direction opposée à presque la vitesse de la lumière. L'équipe a suivi les particules émergeant de ces collisions, à la recherche de preuves que leurs schémas d'écoulement correspondaient aux géométries d'origine des projectiles, comme on pouvait s'y attendre si les minuscules projectiles créaient effectivement un plasma liquide parfait de quarks et de gluons.

« RHIC est le seul accélérateur au monde où nous pouvons réaliser une expérience aussi étroitement contrôlée, collision de particules constituées d'un seul, deux, et trois composants avec le même noyau plus gros, or, tous à la même énergie, " dit Nagle.

Un liquide parfait induit un écoulement

Le liquide « parfait » est désormais un phénomène bien établi dans les collisions entre deux noyaux d'or au RHIC, où l'énergie intense de centaines de protons et de neutrons en collision fait fondre les frontières de ces particules individuelles et permet à leurs quarks et gluons constitutifs de se mélanger et d'interagir librement. Les mesures au RHIC montrent que cette soupe de quarks et de gluons s'écoule comme un liquide à viscosité extrêmement faible (aka, quasi-perfection selon la théorie de l'hydrodynamique). Le manque de viscosité permet aux gradients de pression établis au début de la collision de persister et d'influencer la façon dont les particules émergeant de la collision frappent le détecteur.

"Si des conditions de faible viscosité et des gradients de pression sont créés lors de collisions entre de petits projectiles et des noyaux d'or, le motif des particules captées par le détecteur doit conserver une certaine "mémoire" de la forme initiale de chaque projectile - sphérique dans le cas des protons, elliptique pour les deutérons, et triangulaire pour les noyaux d'hélium-3, " a déclaré le porte-parole de PHENIX Yasuyuki Akiba, un physicien du laboratoire RIKEN au Japon et du RIKEN/Brookhaven Lab Research Center.

PHENIX a analysé les mesures de deux types différents de flux de particules (elliptique et triangulaire) provenant des trois systèmes de collision et les a comparés aux prédictions de ce à quoi on devrait s'attendre sur la base de la géométrie initiale.

"Les dernières données - les mesures de flux triangulaires pour les collisions proton-or et deutéron-or nouvellement présentées dans cet article - complètent le tableau, " a déclaré Julia Velkovska, un porte-parole adjoint de PHENIX, qui a dirigé une équipe impliquée dans l'analyse à l'Université Vanderbilt. "Il s'agit d'une combinaison unique d'observables qui permet une discrimination de modèle décisive."

« Dans les six cas, les mesures correspondent aux prédictions basées sur la forme géométrique initiale. Nous observons de très fortes corrélations entre la géométrie initiale et les schémas d'écoulement finaux, et la meilleure façon d'expliquer cela est que le plasma quark-gluon a été créé dans ces petits systèmes de collision. C'est une preuve très convaincante, ", a déclaré Velkovska.

Comparaisons avec la théorie

Les schémas d'écoulement géométriques sont naturellement décrits dans la théorie de l'hydrodynamique, lorsqu'un liquide presque parfait est créé. La série d'expériences où la géométrie des gouttelettes est contrôlée par le choix du projectile a été conçue pour tester l'hypothèse hydrodynamique et la contraster avec d'autres modèles théoriques qui produisent des corrélations de particules qui ne sont pas liées à la géométrie initiale. L'une de ces théories met l'accent sur les interactions de la mécanique quantique, en particulier parmi l'abondance de gluons supposés dominer la structure interne des noyaux accélérés, comme jouant un rôle majeur dans les modèles observés dans les systèmes de collision à petite échelle.

L'équipe PHENIX a comparé leurs résultats mesurés avec deux théories basées sur l'hydrodynamique qui décrivent avec précision le plasma quark-gluon observé dans les collisions or-or du RHIC, ainsi que ceux prédits par la théorie basée sur la mécanique quantique. La collaboration PHENIX a découvert que leurs données correspondent le mieux aux descriptions du plasma quark-gluon et ne correspondent pas, en particulier pour deux des six schémas d'écoulement, avec les prédictions basées sur les interactions gluons de la mécanique quantique.

L'article comprend également une comparaison entre les collisions d'ions d'or avec des protons et des deutons qui ont été spécifiquement sélectionnés pour correspondre au nombre de particules produites lors des collisions. Selon la prédiction théorique basée sur les interactions gluons, les schémas d'écoulement des particules doivent être identiques quelle que soit la géométrie initiale.

"Tout le reste étant égal, on observe toujours un flux elliptique plus important pour le deutéron-or que pour le proton-or, ce qui correspond mieux à la théorie de l'écoulement hydrodynamique et montre que les mesures dépendent de la géométrie initiale, " dit Velkovska. " Cela ne veut pas dire que les interactions avec les gluons n'existent pas, " a-t-elle poursuivi. " Cette théorie est basée sur des phénomènes physiques solides qui devraient être là. Mais sur la base de ce que nous voyons et de notre analyse statistique de l'accord entre la théorie et les données, ces interactions ne sont pas la source dominante des schémas d'écoulement finaux."

PHENIX analyse des données supplémentaires pour déterminer la température atteinte lors des collisions à petite échelle. Si assez chaud, ces mesures seraient des preuves supplémentaires de la formation de plasma de quarks et de gluons.

L'interaction avec la théorie, y compris les explications concurrentielles, continuera à jouer. Berndt Mueller, Directeur associé de Brookhaven Lab pour la physique nucléaire et des particules, a appelé les physiciens expérimentaux et les théoriciens à se réunir pour discuter des détails lors d'un atelier spécial qui se tiendra début 2019. "Ce processus de comparaison entre les mesures, prédictions, et des explications est une étape essentielle sur la voie de nouvelles découvertes, comme le programme RHIC l'a démontré tout au long de ses 18 années de fonctionnement couronnées de succès, " il a dit.