La collaboration ALICE est un grand groupe de chercheurs de plus de 100 instituts de physique dans le monde qui se concentre sur l'étude du plasma quark-gluon à l'aide des données collectées par le détecteur ALICE (A Large Ion Collider Experiment). ALICE est un détecteur d'ions lourds conçu pour examiner la physique de la matière en interaction forte à des densités d'énergie extrêmes, qui fait partie de l'anneau d'accélérateurs de particules Large Hadron Collider (LHC) du CERN.

L'un des objectifs clés de l'expérience ALICE est de mieux comprendre les propriétés des formes plasma quark-gluon lors de collisions à haute énergie entre noyaux lourds. L'expérience a récemment conduit à un certain nombre d'observations intéressantes, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , qui fournissent la première preuve d'interactions spin-moment angulaire orbital dans les collisions relativistes d'ions lourds.

"Lorsque les collisions à haute énergie entre noyaux lourds ne sont pas centrales (c'est-à-dire pas de front), ils impriment au plasma formé un moment cinétique très important, estimé à l'ordre de 10 ⁷ ħ – équivalent à l'ordre de 10 ²¹ tours par seconde, " Luciano Moussa, porte-parole de la collaboration ALICE, dit Phys.org. « En langage simplifié, une gouttelette de quarks et de gluons à rotation extrêmement rapide se forme. Quarks, d'autre part, ont une propriété de mécanique quantique appelée spin, qui est analogue à une rotation autour d'un axe."

Le grand moment angulaire du plasma quark-gluon formé dans les collisions d'ions lourds peut être, dans une certaine mesure, transférés à des quarks individuels, en alignant leurs directions de rotation. Cet effet de mécanique quantique, connue sous le nom d'interaction spin-orbite, peut également être observé dans d'autres cas, par exemple, entre les électrons, qui ont également un spin et "tournent" autour des noyaux atomiques.

"Les interactions spin-orbite ont été précédemment étudiées à l'aide de plusieurs systèmes de collision, mais le grand moment angulaire du plasma généré lors des collisions de noyaux de plomb au LHC offrait une occasion unique de rechercher cet effet fondamental de la mécanique quantique dans un système de quarks déconfinés, " Andrea Dainese, coordinateur de physique pour l'expérience ALICE, dit Phys.org.

Selon les prédictions théoriques, l'interaction spin-orbite dans le plasma quark-gluon devrait aligner le spin des quarks, qui ont un nombre quantique de spin de 1/2. Les quarks du plasma devraient alors se lier par paires pour former des mésons de spin 0 (c'est-à-dire, mésons scalaires), dans laquelle les deux quarks ont une orientation de spin opposée, ou spin 1 (c'est-à-dire, mésons vecteurs), dans laquelle les deux quarks ont la même orientation de spin.

Les prédictions suggèrent que l'alignement des spins des quarks se traduirait alors par un alignement des spins des mésons vecteurs. La collaboration ALICE a observé cet effet, rassembler les premières preuves d'alignement de spin dans les produits de désintégration de ce que l'on appelle les mésons vecteurs neutres K* et φ (phi).

"Nous avons étudié cet alignement de spin en mesurant la distribution angulaire des produits de désintégration des mésons vecteurs, " a expliqué Musa. " Le signal le plus fort a été observé pour les mésons K* et la confirmation que le signal est induit par l'alignement de spin a été obtenue grâce à l'absence d'un signal similaire pour les mésons K neutres, qui ont un spin 0. Les présentes mesures sont une étape vers l'établissement expérimental d'interactions spin-orbite dans la matière QCD relativiste du plasma quark-gluon.

La collaboration ALICE est le premier groupe de recherche à publier des preuves qui s'alignent sur les prédictions théoriques d'un grand alignement de spin des mésons vecteurs dans les collisions de noyaux lourds. Leurs mesures sont une réalisation importante dans l'étude du plasma quark-gluon, car ils soutiennent la prédiction que ce plasma possède une vorticité initiale avec un moment angulaire sans précédent, ce qui conduit à l'alignement de spin des quarks via des interactions spin-orbite. Leurs travaux offrent un aperçu significatif qui pourrait éclairer les futures études sur les propriétés du plasma de quarks et de gluons.

Le détecteur ALICE fait actuellement l'objet d'une mise à niveau majeure, et en 2022, quand les campagnes de collecte de données LHC du CERN reprendront, il devrait être capable d'enregistrer des échantillons de collision Pb-Pb 50 fois plus gros que ceux collectés à ce jour. Ces données seront bien plus précises que les données existantes et pourraient ainsi conduire à de nouvelles découvertes fascinantes sur le plasma de quarks et de gluons.

"De nouvelles études avec le chargé K*, qui a un moment magnétique sept fois plus grand que celui du neutre K*, peut même permettre une observation directe de l'effet du très grand champ magnétique produit dans le plasma quark-gluon par la rotation rapide de particules chargées électriquement, " a déclaré Dainese. " Ce champ magnétique est estimé à 10 ¹⁴ Tesla, mais disparaît en un temps aussi court 10 ^-23 secondes ! En outre, il convient également de noter que l'alignement de spin neutre K* est étonnamment grand par rapport à la polarisation mesurée pour les hypérons . Par conséquent, d'autres études de l'effet avec plus de précision seront très intéressantes, ainsi que d'autres effets qui peuvent se rapporter aux mêmes mécanismes physiques sous des angles différents."

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