Affichage événementiel d'une collision photonucléaire, où un photon de haute énergie frappe un noyau de plomb. Les particules chargées qui se plient dans le champ magnétique et sont mesurées par ATLAS sont représentées sous forme de lignes et de dépôts d'énergie dans les calorimètres (blocs vert et bleu). Dans cette collision photonucléaire, le noyau de plomb participant allait vers la gauche, tandis que le photon allait vers la droite. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Un nouveau résultat de la collaboration ATLAS au CERN étudie les interactions des photons - des particules de lumière - avec des noyaux de plomb au Large Hadron Collider (LHC). En utilisant de nouvelles techniques de collecte de données, les physiciens ont révélé une similitude inattendue avec les signatures expérimentales du plasma de quarks et de gluons.
En fonctionnement, le LHC consacre environ un mois de l'année à la collision de noyaux de plomb. Cette configuration donne aux physiciens l'opportunité d'étudier le plasma quark-gluon (QGP), une phase de matière intensément chaude et dense qui est créée lorsque les noyaux entrent en collision frontale. Ces conditions extrêmes imitent celles de l'Univers primitif pendant les premières micro-secondes après le Big Bang. Le QGP est bien compris par les physiciens :il évolue comme un fluide presque parfait, préservant fidèlement la forme géométrique imprimée lors de sa formation en une série de motifs dans la distribution de la quantité de mouvement des particules à la fin de son évolution.
Mais que se passe-t-il lorsque deux noyaux de plomb entrants se ratent à peine ? Le noyau de plomb, entièrement dépouillé de ses électrons environnants habituels, détient une grande charge électrique qui peut induire une variété de processus intéressants. Le champ électromagnétique intense de chaque noyau peut être considéré comme équivalent à un flux de photons avec de grandes énergies. Ces photons peuvent interagir avec les photons venant de l'autre noyau menant à, par exemple, processus de diffusion lumière par lumière. En outre, un photon de haute énergie peut aussi frapper directement l'autre noyau, conduisant à une collision "photonucléaire" exotique.
Figure 1 :Une comparaison de l'anisotropie azimutale v2 mesurée dans les collisions photonucléaires (rouge) à celle dans d'autres systèmes de collision (points gris) et une prédiction théorique (vert). Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Au cours de l'exploitation plomb-plomb du LHC en 2018, Les physiciens d'ATLAS ont affiné les propriétés uniques des événements photonucléaires pour collecter un grand échantillon à étudier. Parce que le noyau principal participant a une quantité de mouvement qui est des dizaines de fois plus grande que celle du photon, les produits de ces collisions sont « boostés » (décalés) en direction du noyau de plomb. L'affichage des événements ci-dessus montre la distribution asymétrique des particules qui entraîne cette situation. Cette caractéristique, Le modèle asymétrique permet aux scientifiques de passer au crible efficacement les milliards de collisions plomb-plomb symétriques ordinaires et de trouver les rares événements photonucléaires.
Dans une publication récente, Les physiciens d'ATLAS ont été surpris de voir que certaines des collisions photonucléaires les plus énergétiques montraient des preuves de la création du même QGP chaud et dense que celui observé dans les collisions frontales plomb-plomb ! Spécifiquement, les particules présentaient une anisotropie de quantité de mouvement azimutale (v2) dans le plan transversal. Cette signature est traditionnellement interprétée comme une preuve de la formation du QGP, car elle résulte de gradients de pression plus importants le long d'un axe du QGP que d'un autre. La figure 1 montre que les valeurs v2 des événements photonucléaires sont comparables à celles des collisions proton-proton et proton-plomb. Ces données offrent une suggestion alléchante que le plasma quark-gluon peut être formé même dans ces espèces exotiques, petits systèmes de collision.
La plupart des modèles théoriques de ces anisotropies de quantité de mouvement reposent sur le fait que les corps en collision sont constitués de quarks et de gluons. Naïvement, il est surprenant de trouver de tels effets dans un système où l'une des particules en collision est une simple, photon sans structure ! Cependant, à des énergies suffisamment grandes, la fonction d'onde du photon est une superposition de plusieurs états, dont certains sont des hadrons (particules composées de quarks et de gluons). Ainsi, ces mesures fournissent un système de collision avec une structure initiale très différente de celles traditionnellement utilisées pour étudier le plasma de quarks et de gluons et servent de test pour les expérimentateurs comme pour les théoriciens.
