Les collisions de noyaux de plomb ont lieu dans des conditions physiques extrêmes. Leur évolution peut être décrite à l'aide d'un modèle qui suppose que la transformation, de la matière extrêmement chaude, le plasma quark-gluon, s'écoule sous forme de centaines de stries. Jusqu'à maintenant, les « stries de feu » semblaient être des structures purement théoriques. Cependant, la dernière analyse des collisions de protons individuels renforce l'hypothèse qu'elles représentent un véritable phénomène physique.

En 2017, des physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie ont présenté un modèle des phénomènes se produisant lors de collisions de noyaux de plomb à haute énergie qui a captivé l'imagination. Le modèle supposait que la matière exotique résultant des collisions, le plasma quark-gluon, s'éloigne du point d'impact sous la forme de nombreuses stries s'étendant le long de la direction initiale du mouvement des noyaux. Ces stries se déplacent d'autant plus vite qu'elles s'éloignent de l'axe de collision. Maintenant, les chercheurs ont appliqué le modèle des « stries de feu » à des collisions proton-proton beaucoup plus simples. Lorsqu'ils ont comparé leurs prédictions avec les données recueillies dans les expériences du centre européen de recherche nucléaire du CERN, ils étaient assez surpris.

Les noyaux de plomb contiennent plus de deux cents protons et neutrons. Lorsque deux objets aussi gros entrent en collision avec une énergie suffisamment grande, un mélange liquide de quarks et de gluons (particules qui, dans des conditions normales, regroupent les quarks en protons et neutrons) se forme. Le plasma quark-gluon se dilate rapidement et se refroidit simultanément. Par conséquent, il existe si brièvement et dans une si petite zone de l'espace (seulement des centaines de millionièmes d'un milliardième de mètre) que nous ne pouvons pas l'observer directement. En outre, les interactions entre les particules du plasma sont dominées par des forces puissantes si complexes que la physique moderne n'est tout simplement pas capable de les décrire quantitativement. Les traces du plasma quark-gluon ne sont visibles qu'indirectement, dans les particules provenant du site de collision. La théorie prévoit que si le plasma quark-gluon est réellement produit, les détecteurs devraient enregistrer un nombre nettement plus important de particules étranges (c'est-à-dire, ceux qui contiennent des quarks étranges).

« Les collisions proton-proton dans les accélérateurs du CERN produisent peu de particules étranges. Il est donc généralement admis que le plasma quark-gluon ne se forme pas lors de ces collisions. Nous avons pris ce fait en compte dans notre modèle de traînées de feu, puis nous avons confronté ses prédictions aux données de l'expérience NA49 à l'accélérateur SPS. La conformité était étonnamment bonne. Nous pouvons donc dire que nous avons maintenant « vu » une traînée de feu dans des conditions physiques qualitativement différentes, là où on ne s'y attendait pas du tout !" explique le Dr Andrzej Rybicki (IFJ PAN), l'un des auteurs de la publication en Examen physique C .

« Nous avons dû modéliser la collision de deux noyaux de plomb comme une combinaison de plusieurs centaines de traînées de feu. Dans ces conditions, il est difficile de commenter les propriétés d'une seule traînée. Cependant, lorsque nous avons extrait la distribution de la rapidité du modèle, c'est-à-dire la vitesse relativiste des particules produites par une seule traînée, il s'est avéré que sa forme décrit très bien les données réelles des mesures de production de particules dans les collisions proton-proton, " précise Mirek Kielbowicz, doctorat étudiant à la FIJ PAN.

Afin de faire concorder les graphiques obtenus à l'aide du modèle de traînée de feu construit pour les collisions de noyaux de plomb avec les données expérimentales pour les collisions proton-proton, ils devaient être mis à l'échelle par un facteur de 0,748. Les chercheurs de Cracovie ont démontré que ce paramètre n'est pas libre. En réalité, il apparaît dans les calculs après avoir pris en compte les changements dans le bilan énergétique provoqués par la production variable de particules étranges et peut être reproduit à partir de données expérimentales. C'était un autre argument fort soutenant l'exactitude physique du modèle.

"Je travaille sur le modèle de série de feu dans le cadre de mon mémoire de maîtrise, cela ne m'a donc pas surpris qu'il décrive des données de collisions noyau-noyau sur une large gamme d'énergie. Cependant, quand j'ai vu que la fonction de fragmentation que nous avons extraite s'accorde si bien avec les données des collisions proton-proton, il était difficile de cacher mon étonnement, " se souvient Lukasz Rozplochowski, un étudiant de l'Université Jagellonne travaillant avec l'équipe scientifique de la FIJ PAN.

La matière résultant des collisions proton-proton, plus froid et qualitativement différent du plasma quark-gluon, semble donc se comporter comme une seule traînée de feu. Certaines de ses propriétés, telles que la vitesse des particules émises ou leurs désintégrations, sont, pour une raison quelconque, étonnamment similaires aux propriétés des traînées de feu du plasma quark-gluon. Et puisque le plasma quark-gluon se forme à des énergies plus élevées et dans les collisions d'objets quantiques de plus grande complexité, il devient légitime de dire qu'il hérite de certaines des caractéristiques de la matière qui forment des traînées de feu dans les collisions proton-proton.

"Quand nous avons décrit les collisions noyau-noyau, les traînées de feu n'étaient pour nous que des structures abstraites, quelque chose de purement théorique. Nous n'avons pas approfondi leur nature physique, dans ce qu'ils pourraient être en réalité. Nous avons vécu un véritable choc en combinant les données expérimentales avec notre modèle, nous avons découvert que ce qui se produit dans les collisions proton-proton se comporte exactement comme notre seule séquence de feu, " résume le Dr Rybicki.

Les résultats de la dernière analyse, réalisée par les physiciens de Cracovie dans le cadre de la bourse SONATA BIS no. 2014/14/E/ST2/00018 du Centre national des sciences de Pologne, renforcent ainsi la supposition que le feu traîne, selon la théorie formée à la fois dans les collisions proton-proton et noyau-noyau, sont dues à des processus physiques réels se produisant dans les flux de matière quantique extrêmement chaude.