Les physiciens qui étudient les collisions d’ions or au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC), une installation utilisateur du Département américain de l’énergie du Bureau de la science pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire countrywide de Brookhaven du DOE, se lancent dans un voyage à travers les phases de la matière nucléaire – le material qui constitue les noyaux de toute la matière visible dans 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, se transforment d’une section à une autre. Les résultats, qui viennent d’être publiés par STAR Collaboration du RHIC dans la revue Bodily Review Letters, aideront les physiciens à cartographier les détails de ces changements de stage nucléaire pour mieux comprendre l’évolution de l’univers et les conditions dans les noyaux des étoiles à neutrons.



« Si nous parvenons à découvrir ce level critique, alors notre carte des phases nucléaires – le diagramme des phases nucléaires – pourrait trouver une spot dans les manuels, à côté de celle de l’eau », a déclaré Bedanga Mohanty de l’Institut nationwide indien des sciences et de la recherche., l’un des centaines de physiciens collaborant à la recherche au RHIC à l’aide du détecteur STAR sophistiqué.

Comme l’a noté Mohanty, étudier les phases nucléaires est un peu comme apprendre les formes solides, liquides et gazeuses de l’eau et cartographier la façon dont les transitions se produisent en fonction de disorders 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 d’accélérateurs de particules puissants comme RHIC pour augmenter la chaleur.



Les énergies de collision les plus élevées du RHIC « fondent » la matière nucléaire ordinaire (noyaux atomiques constitués de protons et de neutrons) pour créer une stage exotique appelée plasma quark-gluon (QGP). Les scientifiques pensent que l’univers entier a existé en tant que QGP une portion de seconde après le Significant Bang – avant qu’il ne refroidisse et que les quarks se soient liés (collés par des gluons) pour previous des protons, des neutrons et, finalement, des noyaux atomiques. Mais les minuscules gouttes de QGP créées au RHIC ne mesurent que 10 à 13 centimètres de diamètre (soit, 000000000000001 cm) et ne durent que 10 à 23 secondes ! Cela rend incroyablement difficile de cartographier la fonte et le gel de la matière qui compose notre monde.

« Strictement parlant, si nous n’identifions ni la frontière de period ni le place critique, nous ne pouvons vraiment pas mettre cela [QGP phase] dans les manuels et dire que nous avons un nouvel état de la matière « , a déclaré Nu Xu, physicien STAR au Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory du DOE.

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 d’atomes d’or) dans une huge gamme d’énergies.

« Le RHIC est la seule installation able de le faire, fournissant des faisceaux de 200 milliards d’électrons volts (GeV) jusqu’à 3 GeV. Personne ne peut rêver d’une device aussi excellente », a déclaré 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 collectées au cours de la première period du « balayage de l’énergie du faisceau » du RHIC de 2010 à 2017, les physiciens de STAR ont suivi des particules sortant à chaque énergie de collision. Ils ont effectué une analyse statistique détaillée du nombre web de protons produits. Un certain nombre de théoriciens avaient prédit que cette quantité présenterait de grandes fluctuations événement par événement à l’approche du level critique.

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 avoir lieu de deux manières différentes. À des températures élevées, où les protons et les anti-protons sont produits par paires et où la densité nette des baryons est proche de zéro, les physiciens ont la preuve d’un croisement régulier entre les phases. C’est comme si les protons fondaient progressivement pour former du QGP, comme du beurre fondant progressivement sur un comptoir par une journée chaude. Mais à des énergies plus basses, ils s’attendent à ce qu’on appelle une changeover de phase de premier ordre – un changement brusque comme de l’eau bouillant à une température définie alors que des molécules individuelles s’échappent du pot pour devenir de la vapeur. Les théoriciens du nucléaire prédisent que dans la changeover de phase QGP-matière hadronique, la generation nette de protons devrait varier considérablement à mesure que les collisions approchent de ce stage de basculement.

« À haute énergie, il n’y a qu’une seule stage. Le système est as well as ou moins invariant, normal », a déclaré Xu. « Mais lorsque nous passons d’une énergie élevée à une énergie faible, vous augmentez également la densité baryonique nette, et la structure de la matière peut changer à mesure que vous traversez la zone de transition de phase.

« C’est comme lorsque vous conduisez un avion et que vous vous retrouvez dans des turbulences », a-t-il ajouté. « Vous voyez la fluctuation – growth, increase, boom. Ensuite, lorsque vous passez la turbulence – la stage des changements structurels – vous êtes de retour à la normale dans la framework monophasée. »

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 des plateaux dans un avion. Les physiciens de STAR ont dû effectuer une analyse statistique connue sous le nom de « fonction de corrélation d’ordre supérieur » des distributions des particules – en recherchant in addition que la moyenne et la largeur de la courbe représentant les données à des choses comme à quel place cette distribution est asymétrique et asymétrique.

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 clear devient soudainement problems lorsqu’il est chauffé, disent les scientifiques. Cette « opalescence critique » provient de fluctuations dramatiques de la densité du CO2 – des variants dans la façon dont les molécules sont compactées.

« Dans nos données, les oscillations signifient que quelque selected d’intéressant se passe, comme l’opalescence », a déclaré Mohanty.

Pourtant, malgré les allusions alléchantes, les scientifiques de STAR reconnaissent que la plage d’incertitude de leurs mesures est encore significant. L’équipe espère réduire cette incertitude pour clouer sa découverte de details critiques en analysant un deuxième ensemble de mesures effectuées à partir de nombreuses autres collisions au cours de la section II du balayage d’énergie du faisceau du RHIC, de 2019 à 2021.

Toute la collaboration STAR a été impliquée dans l’analyse, take note Xu, avec un groupe particulier de physiciens – dont Xiaofeng Luo (et son élève, Yu Zhang), Ashish Pandav et Toshihiro Nonaka, respectivement de Chine, d’Inde et du Japon – – rencontre 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 du nucléaire du monde entier et les physiciens des accélérateurs du RHIC. Ce dernier groupe, du département des collisionneurs-accélérateurs du Brookhaven Lab, a 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 inconnu », a déclaré 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 in addition élevées », a-t-il déclaré.