Le détecteur STAR du Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie Crédit :Brookhaven National Laboratory
Des physiciens étudiant les collisions d'ions d'or au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), une installation utilisateur de l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire national de Brookhaven du DOE, se lancent dans un voyage à travers les phases de la matière nucléaire, la substance qui constitue les noyaux de toute la matière visible de notre univers. Une nouvelle analyse des collisions menées à différentes énergies montre des signes alléchants d'un point critique - un changement dans la façon dont les quarks et les gluons, les éléments constitutifs des protons et des neutrons, passer d'une phase à l'autre. Les résultats, vient de paraître par la collaboration STAR de RHIC dans la revue Lettres d'examen physique , aidera les physiciens à cartographier les détails de ces changements de phase nucléaire afin de mieux comprendre l'évolution de l'univers et les conditions dans le cœur des étoiles à neutrons.
« Si nous parvenons à découvrir ce point critique, alors notre carte des phases nucléaires - le diagramme des phases nucléaires - pourra trouver sa place dans les manuels, à côté de celui de l'eau, " a déclaré Bedanga Mohanty de l'Institut national indien des sciences et de la recherche, l'un des centaines de physiciens qui collaborent à des recherches au RHIC en utilisant le détecteur sophistiqué STAR.
Comme Mohanty l'a noté, étudier les phases nucléaires, c'est un peu comme apprendre le solide, liquide, et les formes gazeuses de l'eau, et cartographier la façon dont les transitions ont lieu en fonction de conditions telles que la température et la pression. Mais avec la matière nucléaire, vous ne pouvez pas simplement mettre une casserole sur la cuisinière et la regarder bouillir. Vous avez besoin de puissants accélérateurs de particules comme le RHIC pour faire monter la température.
Les énergies de collision les plus élevées du RHIC « font fondre » la matière nucléaire ordinaire (noyaux atomiques constitués de protons et de neutrons) pour créer une phase exotique appelée plasma quark-gluon (QGP). Les scientifiques pensent que l'univers entier existait sous forme de QGP une fraction de seconde après le Big Bang, avant qu'il ne se refroidisse et que les quarks se lient (collés par des gluons) pour former des protons, neutrons, et éventuellement, noyaux atomiques. Mais les minuscules gouttes de QGP créées au RHIC ne mesurent que 10 -13 centimètres de diamètre (c'est 0,0000000000001 cm) et ils ne durent que 10 -23 secondes ! Il est donc incroyablement difficile de cartographier la fonte et le gel de la matière qui compose notre monde.
"À proprement parler, si nous n'identifions ni la limite de phase ni le point critique, nous ne pouvons vraiment pas mettre cette [phase QGP] dans les manuels et dire que nous avons un nouvel état de la matière, " dit Nu Xu, un physicien STAR au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE.
Cartographier les changements de phase nucléaire revient à étudier comment l'eau change dans différentes conditions de température et de pression (densité baryonique nette pour la matière nucléaire). Les collisions du RHIC « font fondre » des protons et des neutrons pour créer un plasma quark-gluon (QGP). Les physiciens de STAR explorent les collisions à différentes énergies, en tournant les "boutons" de température et de densité baryonique, rechercher des signes d'un « point critique ». Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Suivi des transitions de phase
Pour suivre les transitions, Les physiciens de STAR ont profité de l'incroyable polyvalence du RHIC pour faire entrer en collision des ions d'or (les noyaux des atomes d'or) dans une large gamme d'énergies.
« RHIC est le seul établissement qui peut le faire, fournissant des faisceaux de 200 milliards d'électrons-volts (GeV) jusqu'à 3 GeV. Personne ne peut rêver d'une si excellente machine, " dit Xu.
Les changements d'énergie font monter et descendre la température de collision et font également varier une quantité connue sous le nom de densité baryonique nette qui est quelque peu analogue à la pression. En examinant les données recueillies au cours de la première phase du "beam energy scan" du RHIC de 2010 à 2017, Les physiciens de STAR ont suivi les particules sortant à chaque énergie de collision. Ils ont effectué une analyse statistique détaillée du nombre net de protons produits. Un certain nombre de théoriciens avaient prédit que cette quantité présenterait de grandes fluctuations événement par événement à mesure que le point critique se rapproche.
La raison des fluctuations attendues vient d'une compréhension théorique de la force qui régit les quarks et les gluons. Cette théorie, connue sous le nom de chromodynamique quantique, suggère que la transition de la matière nucléaire normale (protons et neutrons "hadroniques") au QGP peut s'effectuer de deux manières différentes. A hautes températures, où les protons et les antiprotons sont produits par paires et la densité baryonique nette est proche de zéro, les physiciens ont la preuve d'un croisement en douceur entre les phases. C'est comme si les protons fondaient progressivement pour former QGP, comme du beurre fondant progressivement sur un comptoir par une chaude journée. Mais à des énergies plus basses, ils s'attendent à ce qu'on appelle une transition de phase de premier ordre - un changement brusque comme l'ébullition de l'eau à une température définie alors que des molécules individuelles s'échappent du pot pour devenir de la vapeur. Les théoriciens nucléaires prédisent que dans la transition de phase QGP-matière hadronique, la production nette de protons devrait varier considérablement à mesure que les collisions approchent de ce point de basculement.
"A haute énergie, il n'y a qu'une phase. Le système est plus ou moins invariant, Ordinaire, " dit Xu. " Mais quand nous passons de haute énergie à basse énergie, vous augmentez également la densité nette de baryons, et la structure de la matière peut changer au fur et à mesure que vous traversez la zone de transition de phase.
Alors que les physiciens diminuaient l'énergie de collision au RHIC, ils s'attendaient à voir d'importantes fluctuations événement par événement dans certaines mesures telles que la production nette de protons - un effet similaire à la turbulence qu'un avion subit lorsqu'il pénètre dans un banc de nuages - comme preuve d'un "point critique" dans le nucléaire transition de phase. Analyses statistiques de plus haut niveau des données, y compris le biais (kurtosis), a révélé des indices alléchants de telles fluctuations. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"C'est comme lorsque vous prenez l'avion et que vous entrez dans des turbulences, " ajouta-t-il. " Vous voyez la fluctuation — boum, boom, boom. Puis, lorsque vous passez la turbulence - la phase de changements structurels - vous êtes de retour à la normale dans la structure à une phase."
Dans les données de collision du RHIC, les signes de cette turbulence ne sont pas aussi apparents que la nourriture et les boissons rebondissant sur les plateaux dans un avion. Les physiciens de STAR ont dû effectuer ce que l'on appelle une analyse statistique de "fonction de corrélation d'ordre supérieur" des distributions de particules, en recherchant plus que la moyenne et la largeur de la courbe représentant les données pour des choses comme l'asymétrie et l'asymétrie de cette distribution.
Les oscillations qu'ils voient dans ces ordres supérieurs, en particulier le biais (ou kurtosis), rappellent un autre changement de phase célèbre observé lorsque le dioxyde de carbone liquide transparent devient soudainement trouble lorsqu'il est chauffé, disent les scientifiques. Cette « opalescence critique » provient des fluctuations dramatiques de la densité du CO2 – des variations dans le degré de concentration des molécules.
« Dans nos données, les oscillations signifient qu'il se passe quelque chose d'intéressant, comme l'opalescence, " dit Mohanty.
Pourtant, malgré les allusions alléchantes, les scientifiques de STAR reconnaissent que la plage d'incertitude de leurs mesures est encore large. L'équipe espère réduire cette incertitude pour clouer leur découverte de point critique en analysant une deuxième série de mesures effectuées à partir de nombreuses autres collisions au cours de la phase II du balayage d'énergie du faisceau du RHIC, de 2019 à 2021.
Toute la collaboration STAR a été impliquée dans l'analyse, Xu note, avec un groupe particulier de physiciens, dont Xiaofeng Luo (et son élève, Yu Zhang), Ashish Pandav, et Toshihiro Nonaka, de Chine, Inde, et le Japon, respectivement — réunion hebdomadaire avec les scientifiques américains (sur de nombreux fuseaux horaires et réseaux virtuels) pour discuter et affiner les résultats. Le travail est également une véritable collaboration des expérimentateurs avec les théoriciens nucléaires du monde entier et les physiciens des accélérateurs du RHIC. Ce dernier groupe, dans le département Collider-Accelerator du Brookhaven Lab, ont conçu des moyens de faire fonctionner le RHIC bien en dessous de son énergie de conception tout en maximisant les taux de collision pour permettre la collecte des données nécessaires à de faibles énergies de collision.
"Nous explorons un territoire inexploré, " dit Xu. " Cela n'a jamais été fait auparavant. Nous avons fait beaucoup d'efforts pour contrôler l'environnement et apporter des corrections, et nous attendons avec impatience la prochaine série de données statistiques plus élevées, " il a dit.
