Les scientifiques qui étudient les collisions de particules au collisionneur relativiste d'ions lourds (RHIC) ont révélé comment certains jets de particules perdent de l'énergie lorsqu'ils traversent la forme unique de matière nucléaire créée lors de ces collisions. Les résultats, publiés dans Physical Review C , devrait les aider à découvrir les principales "propriétés de transport" de cette soupe de particules chaudes, connue sous le nom de plasma quark-gluon (QGP).

"En examinant comment les jets de particules ralentissent lorsqu'ils se déplacent dans le QGP, nous pouvons en apprendre davantage sur ses propriétés de la même manière qu'étudier la façon dont les objets se déplacent dans l'eau peut vous dire quelque chose sur sa densité et sa viscosité", a déclaré Raghav Kunnawalkam Elayavalli, un chercheur postdoctoral. boursier à l'université de Yale et membre de la collaboration expérimentale STAR du RHIC.

Mais il existe plusieurs façons pour un jet de perdre de l'énergie ou d'être « éteint ». Il peut donc être difficile de dire laquelle de ces causes crée l'effet d'extinction.

Avec ces nouvelles découvertes, pour la première fois, STAR a identifié une population spécifique de jets dont les physiciens disent pouvoir identifier distinctement le mécanisme :des quarks individuels émettant des gluons lorsqu'ils interagissent avec le QGP.

Les théoriciens peuvent maintenant utiliser les données pour affiner leurs calculs décrivant les propriétés fondamentales de la soupe chaude de quarks.

"Les jets sont très utiles car ils vous indiquent comment ces quarks interagissent avec eux-mêmes", a déclaré Kolja Kauder, un autre auteur principal de l'analyse, qui est physicien au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'énergie, où se trouve le RHIC. "C'est l'essence de la 'chromodynamique quantique' - la théorie décrivant les interactions de force nucléaire forte des quarks et des gluons. Nous en apprenons davantage sur cette force fondamentale de la nature en étudiant comment ces jets s'éteignent."

Au début

La force forte joue un rôle majeur dans la construction de la structure de tout ce que nous voyons dans l'univers aujourd'hui. C'est parce que toute la matière visible est constituée d'atomes avec des protons et des neutrons en leur cœur. Ces particules, à leur tour, sont constituées de quarks, qui sont maintenus ensemble par l'échange de particules porteuses de force puissantes, les gluons ressemblant à de la colle.

Mais les quarks n'étaient pas toujours liés entre eux. Les scientifiques pensent que les quarks et les gluons se sont déplacés librement très tôt dans l'univers, à peine une microseconde après le Big Bang, avant que la soupe primordiale des éléments fondamentaux de la matière ne se refroidisse suffisamment pour que les protons et les neutrons se forment. Le RHIC, une installation utilisateur du Département américain de l'énergie pour la recherche en physique nucléaire, a été construit pour recréer et étudier ce plasma quark-gluon.

Le RHIC recrée la soupe de quarks de l'univers primitif en entraînant les noyaux d'atomes lourds tels que l'or dans des collisions frontales à une vitesse proche de celle de la lumière. L'énergie libérée crée des milliers de nouvelles particules subatomiques, y compris des quarks (rappelez-vous que l'énergie peut créer de la masse et vice versa grâce à la célèbre équation E=mc ² ). Il "fond" également les limites des protons et des neutrons individuels pour libérer les quarks et les gluons internes.

Depuis plus de deux décennies, les scientifiques suivent le flux de différents types de particules dans le plasma de quarks et de gluons qui en résulte. Il s'agit notamment de pulvérisations ou de jets collimatés de particules résultant de la fragmentation d'un quark ou d'un gluon. Les scientifiques ont généralement constaté que les particules et les jets à forte impulsion perdent de l'énergie lorsqu'ils traversent la goutte de QGP chaud. Grâce à cette nouvelle étude, ils ont identifié les détails d'un mécanisme spécifique d'extinction des jets dans un sous-ensemble de jets.

Suivi des 'dijets' sous différents angles

Cette étude s'est spécifiquement concentrée sur les jets de particules produits dos à dos (appelés dijets), où un jet proche de la surface de la goutte QGP s'échappe facilement avec beaucoup d'énergie, tandis que le jet de recul parcourant un itinéraire plus long dans la direction opposée obtient trempé par le plasma. Les physiciens de STAR ont suivi l'énergie des particules constituant le "cône" du jet de recul. La comparaison avec l'énergie du jet échappé (ou "déclencheur") leur indique la quantité d'énergie perdue.

Ils ont également divisé tous les événements en ceux qui ont produit des jets relativement étroits et ceux qui ont produit un jet de particules plus large.

"Notre intuition nous dit que quelque chose de plus large se déplaçant à travers le médium devrait perdre plus d'énergie", a déclaré Kunnawalkam Elayavalli. "Si le jet est étroit, il peut en quelque sorte percer et vous vous attendez à moins de perte d'énergie que pour un jet plus large, qui voit plus de plasma. C'était l'attente."

Pensez à un grand nageur se déplaçant dans l'eau de manière non simplifiée, a-t-il suggéré. Vous vous attendez à voir un sillage plus large s'éloigner de la personne que le sillage d'un nageur mince et profilé. Dans le cas des particules, les physiciens s'attendaient à ce que le "sillage" plus large produit par des jets plus larges repousse les particules au-delà des limites de leur détection.

"Mais ce que nous avons découvert, c'est qu'avec ce sous-ensemble particulier de jets que nous avons étudié au RHIC, peu importe l'angle d'ouverture du jet ; ils perdent tous de l'énergie de la même manière."

Pour les jets étroits et larges, l'addition de l'énergie de toutes les particules à impulsion élevée et à impulsion faible dans le "cône" pourrait expliquer toute l'énergie "perdue" à la trempe. Autrement dit, bien que ces jets aient subi une perte d'énergie, dans les jets larges et étroits, l'énergie perdue a été convertie en particules à faible impulsion qui sont restées dans le cône du jet.

"Lorsque les jets perdent de l'énergie, cette énergie perdue est convertie en particules à plus faible impulsion. Vous ne pouvez pas simplement perdre de l'énergie, elle doit être conservée", a déclaré Kauder de Brookhaven. La surprise était que toute l'énergie restait dans le cône.

Les conséquences

Les résultats ont des implications importantes pour comprendre quand l'extinction se produit pour ces jets.

"Ne pas voir de différence entre les jets larges et étroits signifie que le mécanisme de perte d'énergie est indépendant de la sous-structure du jet. La perte d'énergie doit s'être produite avant que les jets ne se séparent, avant qu'il y ait un angle d'ouverture, étroit ou large," Kunnawalkam dit Elayavalli.

La séquence d'événements la plus probable :"Probablement un seul quark traversant le plasma a émis des gluons (a dégagé de l'énergie) lorsqu'il a interagi avec d'autres quarks dans le QGP, puis il s'est divisé pour produire la sous-structure du jet. Les gluons se transforment en d'autres particules à plus faible impulsion qui restez dans le cône, et ce sont les particules que nous mesurons », a-t-il déclaré.

Si la perte d'énergie s'était produite après la scission du jet, chaque particule constituant la sous-structure du jet aurait perdu de l'énergie, avec une plus grande probabilité que les particules se propagent au-delà du cône du jet - en d'autres termes, formant un "sillage" au-delà de la zone où les physiciens pourrait les mesurer.

Connaître le mécanisme spécifique de perte d'énergie pour ces jets aidera les théoriciens à affiner leurs calculs sur la relation entre la perte d'énergie et les propriétés de transport QGP, propriétés qui sont quelque peu analogues à la viscosité et à la densité de l'eau. Cela donnera également aux physiciens un moyen de mieux comprendre les interactions fondamentales de force forte entre les quarks.

"Acquérir une compréhension quantitative des propriétés de ce plasma est primordial pour étudier l'évolution de l'univers primitif", a déclaré Kunnawalkam Elayavalli, "y compris comment cette soupe primordiale de particules est devenue les protons et les neutrons des noyaux d'atomes qui composent notre monde. aujourd'hui.

"Cette mesure ouvre essentiellement la prochaine ère de la physique des jets au RHIC, ce qui nous permettra d'étudier de manière différentielle l'évolution spatio-temporelle du QGP." + Explorer plus loin

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