Lorsque les ions lourds, accéléré à la vitesse de la lumière, se heurtent dans les profondeurs des accélérateurs européens ou américains, le plasma quark-gluon se forme pendant des fractions de seconde, ou encore son « cocktail » assaisonné d'autres particules. Selon des scientifiques de la FIJ PAN, les données expérimentales montrent qu'il y a des acteurs sous-estimés sur la scène :les photons. Leurs collisions conduisent à l'émission de particules apparemment en excès, dont la présence n'a pu être expliquée.

Le plasma quark-gluon est sans aucun doute l'état de la matière le plus exotique que nous connaissions à ce jour. Dans le LHC du CERN près de Genève, il se forme lors de collisions centrales de deux ions plomb se rapprochant de directions opposées, se déplaçant à des vitesses très proches de celle de la lumière. Cette soupe de quark-gluon est aussi parfois assaisonnée avec d'autres particules. Malheureusement, la description théorique du cours des événements impliquant du plasma et un cocktail d'autres sources ne parvient pas à décrire les données recueillies dans les expériences. Dans un article publié dans Physique Lettres B , un groupe de scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie a expliqué la raison des écarts observés. Données collectées lors de collisions de noyaux de plomb dans le LHC, ainsi que lors de collisions de noyaux d'or dans le RHIC du Brookhaven National Laboratory près de New York, commencent à être d'accord avec la théorie lorsque la description des processus prend en compte les collisions entre les photons entourant les deux ions en interaction.

"Avec une pincée de sel, on pourrait dire qu'avec des énergies suffisamment élevées, les ions massifs entrent en collision non seulement avec leurs protons et leurs neutrons, mais même avec leurs nuages ​​de photons, " explique le Dr Mariola Klusek-Gawenda (IFJ PAN) et précise immédiatement :" Lors de la description de la collision d'ions dans le LHC, nous avons déjà pris en compte les collisions entre photons. Cependant, ils ne concernaient que les collisions ultrapériphériques, dans lequel les ions ne se heurtent pas, mais se croisent sans changement, interagissant uniquement avec leurs propres champs électromagnétiques. Personne ne pensait que les collisions de photons pouvaient jouer un rôle dans les interactions violentes où les protons et les neutrons fusionnent en une soupe quark-gluon. »

Dans des conditions connues de la vie quotidienne, les photons ne se heurtent pas. Cependant, quand nous avons affaire à des ions massifs accélérés à presque la vitesse de la lumière, la situation change. Le noyau d'or contient 79 protons, le noyau de plomb jusqu'à 82, la charge électrique de chaque ion est donc plusieurs fois supérieure à la charge élémentaire. Les porteurs des interactions électromagnétiques sont les photons, ainsi chaque ion peut être traité comme un objet entouré d'un nuage de nombreux photons. De plus, dans le RHIC et le LHC, les ions se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière. Par conséquent, du point de vue de l'observateur au laboratoire, eux et leurs nuages ​​​​de photons environnants semblent être des taches extrêmement minces, aplatie dans le sens du mouvement. A chaque passage d'une telle galette proton-neutron, il y a une oscillation extrêmement violente des champs électrique et magnétique.

En électrodynamique quantique, la théorie utilisée pour décrire l'électromagnétisme au regard des phénomènes quantiques, il existe une valeur critique maximale du champ électrique, de l'ordre de dix à seize volts par centimètre. Elle s'applique aux champs électriques statiques. Dans le cas de collisions de noyaux atomiques massifs dans le RHIC ou le LHC, nous avons affaire à des champs dynamiques n'apparaissant que pendant des millionièmes de milliardième d'un milliardième de seconde. Pendant un temps si court, les champs électriques dans les collisions d'ions peuvent même être 100 fois plus forts que la valeur critique.

"En réalité, les champs électriques des ions entrant en collision dans le LHC ou le RHIC sont si puissants qu'ils génèrent des photons virtuels et que leurs collisions se produisent. À la suite de ces processus, des paires lepton-antilepton se forment en divers points autour des ions là où il n'y avait rien de matériel auparavant. Les particules de chaque paire s'éloignent les unes des autres de manière caractéristique :typiquement dans des directions opposées et presque perpendiculaires à la direction d'origine du mouvement des ions, " explique le Dr Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) et souligne que la famille des leptons comprend les électrons et leurs homologues plus massifs :les muons et les tauons.

Les interactions photoniques et la production de paires lepton-antilepton qui leur sont associées sont cruciales dans les collisions périphériques. De telles collisions ont été décrites par les physiciens de Cracovie il y a quelques années. A leur grande surprise, ils ont maintenant réussi à montrer que les mêmes phénomènes jouent également un rôle important dans les collisions directes de noyaux, même centrales. Les données recueillies pour les noyaux d'or dans le RHIC et les noyaux de plomb dans le LHC montrent qu'au cours de telles collisions un certain nombre "en excès" de paires électron-positon apparaît, qui divergent relativement lentement dans des directions presque perpendiculaires aux faisceaux d'ions. Il a été possible d'expliquer leur existence précisément en prenant en compte la production de paires lepton-antilepton par collision de photons.

"La vraie cerise sur le gâteau pour nous était le fait qu'en complétant les outils existants pour la description des collisions d'ions massifs avec notre formalisme construit sur la fonction de distribution dite de Wigner, on pourrait enfin expliquer pourquoi les détecteurs des plus grandes expériences d'accélérateur contemporaines enregistrent ces sortes de distributions de leptons et d'antileptons s'échappant du site des collisions nucléaires (pour une centralité déterminée de la collision). Notre compréhension des processus les plus importants qui se déroulent ici est devenue plus complète, " conclut le Prof. Antoni Szczurek (FIJ PAN).

Les travaux sur le modèle de Cracovie des collisions photon-photon ont été financés par le Centre national polonais des sciences. Le modèle a suscité l'intérêt des physiciens travaillant avec les détecteurs ATLAS et ALICE du LHC et sera utilisé dans les prochaines analyses de données expérimentales.