Les collisions d'ions à haute énergie au Grand collisionneur de hadrons sont capables de produire un plasma quark-gluon. Mais les noyaux atomiques lourds sont-ils vraiment nécessaires à sa formation ? Et surtout :comment naissent plus tard des particules secondaires de ce plasma ? D'autres indices dans la recherche de réponses à ces questions sont fournis par la dernière analyse des collisions entre protons et protons ou ions, observées dans l'expérience LHCb.

Lorsque des noyaux atomiques lourds entrent en collision aux énergies les plus élevées dans le LHC, un plasma quark-gluon est créé pendant un instant incroyablement bref. Il s’agit d’un état exotique de la matière dans lequel les quarks et les gluons, normalement piégés dans des protons ou des neutrons, ne sont plus étroitement liés les uns aux autres. Cet état n'est pas permanent :à mesure que la température baisse, les quarks et les gluons s'hadronisent rapidement, c'est-à-dire se recollent les uns aux autres, produisant des flux de particules secondaires divergent sous différents angles.

Les détails du processus d’hadronisation, phénomène essentiel à notre compréhension des fondements de la réalité physique, restent encore un mystère. De nouveaux indices ont été fournis par les analyses des collisions de l'expérience LHCb qui viennent de s'achever, réalisées avec la participation de physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie.

Les résultats sont publiés dans le Journal of High Energy Physics. .

"L'hadronisation se produit à des échelles de temps de yoctosecondes, c'est-à-dire des billionièmes de billionième de seconde, sur des distances de la taille du femtomètre, c'est-à-dire des millionièmes de milliardième de mètre. Les phénomènes se produisant si extrêmement rapidement et à de telles échelles microscopiques ne seront pas directement observables pendant un certain temps. il faudra beaucoup de temps, peut-être jamais", explique le professeur Marcin Kucharczyk (FIJ PAN), co-auteur de l'article.

"Nous essayons donc de déduire ce qui arrive au plasma quark-gluon en examinant certaines corrélations quantiques spécifiques entre les particules produites lors des collisions. Nous menons de telles analyses depuis des années, construisant progressivement une image plus précise du phénomène à mesure que la quantité de données traitées augmente."

Que sont exactement les corrélations quantiques ? En mécanique quantique, les particules sont décrites à l’aide de fonctions d’onde. S’il y a de nombreuses particules dans le système étudié, leurs fonctions d’onde peuvent se chevaucher. Comme dans les ondes normales, des interférences se produisent alors. Si les fonctions d'onde sont ainsi supprimées, on parle de corrélations de Fermi-Dirac, si elles sont renforcées, de corrélations de Bose-Einstein. Ce sont ces dernières corrélations, caractéristiques de particules identiques, qui ont attiré l'attention des scientifiques.

Les chercheurs ont concentré leur attention sur les corrélations de Bose-Einstein apparaissant entre des paires de pions, ou mésons pi. Des analyses du même type avaient déjà été réalisées sur les données d'autres détecteurs fonctionnant à l'accélérateur LHC, mais celles-ci ne portaient que sur des particules divergeant selon de grands angles par rapport au point de collision.

Parallèlement, la conception unique du détecteur LHCb a permis aux physiciens de rechercher pour la première fois des particules émises « vers l'avant », à des angles déviés de la direction du faisceau d'origine d'au plus une douzaine de degrés. Les résultats obtenus complètent ainsi le tableau du phénomène construit par les mesures dans les autres expériences du LHC.

Le choix de la direction « forward » n'était pas la seule nouveauté. L'analyse a été réalisée pour ce que l'on appelle les petits systèmes, c'est-à-dire pour des collisions proton-proton, proton-ion et ion-proton (les deux derniers cas ne sont pas identiques, car dans un cas, un seul proton se déplace à grande vitesse, tandis que dans le cas sinon, le noyau est constitué de nombreux protons et neutrons).

Entre autres choses, les chercheurs voulaient savoir si les phénomènes collectifs observés dans les collisions noyau-noyau, associés au plasma quark-gluon, pouvaient également apparaître dans les collisions de systèmes de particules plus petits.

"Nous avons soumis les corrélations trouvées à une vérification plus approfondie. Par exemple, nous avons testé comment elles dépendent de différentes variables, telles que la multiplicité des particules chargées. De plus, puisque toutes les collisions ont été enregistrées avec les mêmes détecteurs et dans les mêmes conditions, nous avons pu vérifier facilement si nos corrélations changent sous différentes configurations de systèmes de particules en collision", explique le professeur Kucharczyk.

Les conclusions des analyses sont intéressantes. Tout indique que du plasma quark-gluon peut être produit au LHC même lors de collisions avec un seul proton. Dans le même temps, les sources d’émission de particules secondaires dans les collisions proton-proton semblent être plus petites que dans les collisions mixtes. Une association intéressante entre les corrélations et les angles par rapport à l'axe du faisceau des particules produites lors des collisions a également été observée.

"L'observation de corrélations dans de petits systèmes a déclenché une discussion sur leur origine. En particulier, la question de savoir si elles ont la même origine que dans les collisions d'ions lourds est intrigante et, par conséquent, quelles sont exactement les conditions nécessaires pour produire un quark. -plasma de gluons ? Certains modèles actuels de ce plasma supposent la présence de phénomènes collectifs dans le plasma, associés à des écoulements. Les résultats de nos analyses semblent plus proches de ces modèles hydrodynamiques", ajoute le professeur Kucharczyk.

Seulement voilà :avons-nous vraiment affaire à des flux de plasma quark-gluon lors de l'hadronisation ? Les modèles théoriques du phénomène actuellement existants sont de nature phénoménologique, ce qui signifie qu'ils doivent être calibrés avec des données obtenues à partir d'expériences.

Malgré cela, aucun des modèles ne peut reproduire les résultats des mesures avec une précision satisfaisante. Il semble donc que beaucoup de travail reste encore à faire pour les physiciens avant que la véritable nature des processus plasmatiques de quarks et de gluons ne soit connue.

Plus d'informations : Aaij, R et al, Étude des corrélations de Bose-Einstein des pions de même signe dans les collisions proton-plomb, Journal of High Energy Physics (2023). DOI :10.1007/JHEP09(2023)172

Fourni par l'Académie polonaise des sciences