De nouvelles découvertes des physiciens nucléaires expérimentaux de l'Université du Kansas, Daniel Tapia Takaki et Aleksandr (Sasha) Bylinkin, viennent d'être publiées dans le Revue Physique Européenne C . L'article se concentre sur le travail au solénoïde compact à muons, une expérience au Grand collisionneur de hadrons, pour mieux comprendre le comportement des gluons.

Les gluons sont des particules élémentaires chargées de "coller" ensemble les quarks et les anti-quarks pour former des protons et des neutrons. les gluons jouent un rôle dans environ 98 % de toute la matière visible de l'univers.

Des expériences antérieures au collisionneur électron-proton HERA, aujourd'hui déclassé, ont été découvertes lorsque les protons sont accélérés à une vitesse proche de la lumière, la densité de gluons à l'intérieur augmente très rapidement.

"Dans ces cas, gluons divisés en paires de gluons avec des énergies plus faibles, et ces gluons se séparent par la suite, et ainsi de suite, " dit Tapia Takaki, Professeur agrégé de physique et d'astronomie à la KU. « À un moment donné, la division des gluons à l'intérieur du proton atteint une limite à laquelle la multiplication des gluons cesse d'augmenter. Un tel état est connu sous le nom de "condensat de verre coloré, ' une phase hypothétique de la matière qui existerait dans les protons de très haute énergie ainsi que dans les noyaux lourds."

Le chercheur de la KU a déclaré que les résultats expérimentaux les plus récents de son équipe au collisionneur d'ions lourds relativistes et au LHC semblaient confirmer l'existence d'un tel état dominé par les gluons. Les conditions exactes et l'énergie précise nécessaire pour observer la "saturation en gluons" dans le proton ou dans les noyaux lourds ne sont pas encore connues, il a dit.

"Les résultats expérimentaux de CMS sont très excitants, donner de nouvelles informations sur la dynamique des gluons dans le proton, " dit Victor Gonçalves, professeur de physique à l'Université fédérale de Pelotas au Brésil, qui travaillait à KU sous un Brésil-États-Unis Professeur donné conjointement par la Sociedade Brasileira de Física et l'American Physical Society. "Les données nous disent quelles sont les tailles d'énergie et de dipôle nécessaires pour s'enfoncer plus profondément dans le régime à dominance gluonique où les effets QCD non linéaires deviennent dominants."

Bien que les expériences au LHC n'étudient pas directement l'interaction du proton avec des particules élémentaires telles que celles du dernier collisionneur HERA, il est possible d'utiliser une méthode alternative pour étudier la saturation des gluons. Lorsque des protons (ou ions) accélérés se manquent, des interactions photoniques se produisent avec le proton (ou l'ion). Ces quasi-accidents sont appelés collisions ultrapériphériques (UPC) car les interactions de photons se produisent principalement lorsque les particules en collision sont considérablement séparées les unes des autres.

"L'idée que la charge électrique du proton ou des ions, lorsqu'il est accéléré à des vitesses ultra-relativistes, fournira une source de photons quasi-réels n'est pas nouveau, " a déclaré Tapia Takaki. "Cela a été discuté pour la première fois par Enrico Fermi à la fin des années 1920. Mais ce n'est que depuis les années 2000 au collisionneur RHIC et plus récemment aux expériences LHC que cette méthode a été pleinement exploitée."

Le groupe de Tapia Takaki a joué un rôle important dans l'étude des collisions ultrapériphériques d'ions et de protons sur deux instruments du Grand collisionneur de hadrons, d'abord avec la Collaboration ALICE et plus récemment avec le détecteur CMS.

« Nous avons maintenant une pléthore de résultats intéressants sur les collisions d'ions lourds ultrapériphériques au Grand collisionneur de hadrons du CERN, " dit Bylinkin, un chercheur associé du groupe. "La plupart des résultats se sont concentrés sur des coupes efficaces intégrées de mésons vecteurs et plus récemment sur des mesures utilisant des jets et l'étude de la diffusion lumière par lumière. Pour l'étude de la production de mésons vecteurs, nous faisons maintenant des mesures systématiques, pas seulement exploratoires. Nous sommes particulièrement intéressés par l'étude de la dépendance énergétique du transfert de quantité de mouvement dans la production de mésons vecteurs, car nous avons ici l'opportunité unique de déterminer le début de la saturation des gluons."

Les chercheurs ont déclaré que le travail est important car il s'agit du premier établissement de quatre points mesurés en termes d'énergie de l'interaction photon-proton et en fonction du transfert de quantité de mouvement.

"Les expériences précédentes à HERA n'avaient qu'un seul point d'énergie, " a déclaré Tapia Takaki. " Pour notre récent résultat, le point d'énergie le plus bas est d'environ 35 GeV et le point le plus élevé est d'environ 180 GeV. Cela ne ressemble pas à un point d'énergie très élevée, considérant que pour les récentes mesures J/psi et Upsilon des UPC au LHC, nous avons étudié des processus jusqu'à 1000s GeV. Le point clé ici est que bien que l'énergie soit beaucoup plus faible dans nos études Rho0, la taille du dipôle est très grande."

Selon les membres de l'équipe, de nombreuses questions restent sans réponse dans leur axe de recherche pour mieux comprendre la composition des protons et des neutrons.

"Nous savons qu'au collisionneur HERA, il y avait déjà des indices pour des effets QCD non linéaires, mais il y a beaucoup de questions théoriques qui n'ont pas trouvé de réponses telles que l'apparition de la saturation des gluons, et il existe au moins deux principaux modèles de saturation dont nous ne savons pas encore lequel est le plus proche de ce que la nature dit du proton, " a déclaré Gonçalves. " Nous avons utilisé les derniers résultats de la collaboration CMS et les avons comparés aux modèles linéaires et non linéaires inspirés de la QCD. Nous avons observé, pour la première fois, que les données CMS montrent un écart clair par rapport au modèle QCD linéaire à leur point d'énergie le plus élevé."