Signe clair que la production de plasma quark-gluon « s’arrête » à basse énergie

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Les physiciens rapportent de nouvelles preuves que la production d’un état exotique de la matière dans les collisions de noyaux d’or au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) – un brise-atomes au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie (DOE) – peut être « transformée off » en diminuant l’énergie de collision. Le signal « off » apparaît comme un changement de signe – de négatif à positif – dans les données décrivant les caractéristiques « d’ordre supérieur » de la distribution des protons produits lors de ces collisions.

Les résultats, qui viennent d’être publiés par la collaboration STAR du RHIC en Lettres d’examen physiqueaidera les physiciens à cartographier les conditions de température et de densité dans lesquelles la matière exotique, connue sous le nom de plasma quark-gluon (QGP), peut exister et à identifier les principales caractéristiques des phases de la matière nucléaire.

« Libérer » les quarks et les gluons

Générer et étudier QGP a été un objectif central de la recherche au RHIC. Depuis que le collisionneur a commencé à fonctionner en 2000, un large éventail de mesures a montré que les collisions les plus énergétiques de noyaux atomiques – à 200 milliards d’électronvolts (GeV) – « font fondre » les limites des protons et des neutrons pour libérer, pour une durée instant fugace, les quarks et les gluons qui composent les particules nucléaires ordinaires. Diverses mesures ont montré que le QGP existe jusqu’à 19,6 GeV. La nouvelle analyse a utilisé les données collectées par le détecteur STAR du RHIC au cours de la première phase du RHIC Beam Energy Scan pour rechercher systématiquement l’énergie à laquelle la production de cet état thermalisé de quarks et de gluons est arrêtée.

« Nous avons analysé 10 énergies de collision – à partir d’une énergie de centre de masse de 200 GeV, qui est l’énergie de collision la plus élevée du RHIC entre deux faisceaux d’or, jusqu’à 3 GeV, où un faisceau d’or entre en collision avec une cible d’or stationnaire », a déclaré Ashish Pandav, un étudiant à l’Institut national indien d’éducation et de recherche scientifiques (NISER), maintenant en poste au Laboratoire national Lawrence Berkeley (LBNL) du DOE. « Ces données nous donnent la couverture la plus large à ce jour du diagramme de phase nucléaire – la carte de la façon dont la matière nucléaire change avec la température et la densité. »

Pour déterminer si un QGP a été créé à chaque énergie de collision, les scientifiques ont examiné la distribution des protons produits lors de chaque événement de collision.

Analyse systématique

« Nous avons mesuré, événement par événement, le nombre de protons moins le nombre d’antiprotons produits, et la distribution de cette production nette de protons », a déclaré Bedangadas Mohanty, professeur de physique au NISER. Mohanty et l’équipe STAR ont analysé des données sur une variété de caractéristiques de la distribution, y compris la valeur moyenne, la variance, le degré d’asymétrie des données, etc., jusqu’à ce que l’on appelle 5e et 6e caractéristiques de la commande. Puis ils ont comparé leurs observations avec des prédictions calculées à l’aide des équations de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit les interactions des quarks et des gluons, simulées sur un réseau d’espace-temps discret.

« Ces simulations numériques de QCD intègrent la formation d’un plasma quark-gluon thermalisé, donc si les données correspondent aux prédictions, c’est la preuve que le QGP est présent », a déclaré Mohanty.

Ordre hiérarchique

Les calculs QCD prédisent un ordre hiérarchique des caractéristiques de distribution nette des protons — et que certaines relations entre ces caractéristiques devraient toutes avoir des valeurs négatives. Les données STAR indiquent que ces schémas thermodynamiques persistent généralement à tout sauf à l’énergie de collision la plus faible.

« Nous savons à 200 GeV que les collisions RHIC créent un QGP, mais qu’en est-il de la prochaine énergie, 62,4 GeV, 54,4 GeV, 39, 27, 19,6 ? a déclaré Nu Xu, physicien à LBNL et ancien porte-parole de STAR. « A toutes ces énergies, nous avons trouvé la hiérarchie prédite et les valeurs négatives, ce qui signifie que les données à ces énergies sont toutes compatibles avec un QGP thermalisé. »

En dessous de 19,6 GeV, les données ont continué à correspondre aux prévisions, même si les barres d’erreur indiquant la plage d’incertitude sur ces mesures étaient importantes.

« Pour ces énergies, nous avons besoin de plus de données », a déclaré Xu.

Mais à l’énergie la plus basse, 3 GeV, les scientifiques ont constaté un changement spectaculaire. L’ordre de la hiérarchie parmi les caractéristiques analysées s’est inversé, tout comme le signe des relations clés, du négatif au positif.

« Ce changement de signe est une indication robuste, étayée par des calculs de premier principe, que la formation d’un plasma quark-gluon est désactivée à l’énergie de collision la plus faible du RHIC », a déclaré Xu.

Certitude dans les mathématiques

La certitude des scientifiques est motivée par le fait que les comparaisons qu’ils ont utilisées proviennent de descriptions mathématiques pures du QGP, plutôt que de modèles basés sur des approximations des interactions quark-gluon. Ils comparent cette approche des « premiers principes » à la résolution des équations les plus simples de la physique classique – comme la loi de Newton (force = masse x accélération) ou à la compréhension de l’impact de la vitesse sur la distance que vous pouvez parcourir (vitesse x temps = distance).

« Dans ce cas, il s’agit de résoudre les interactions des quarks et des gluons, en utilisant la QCD, qui a des équations beaucoup plus compliquées », a déclaré Mohanty.

Ce travail nécessitait des ordinateurs puissants, notamment au RHIC et ATLAS Computing Facility (RACF) du Brookhaven Lab, au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du LBNL et au consortium Open Science Grid.

« Ces ressources informatiques et la QCD du réseau – une approche pour résoudre les équations qui considère les interactions quark-gluon sur le réseau espace-temps 4D – ont permis de grandes avancées dans notre capacité à faire des prédictions précises sur le comportement des caractéristiques d’ordre supérieur de la charge conservée distributions en QCD », a déclaré Frithjof Karsch, un ancien théoricien du Brookhaven Lab maintenant à l’Université de Bielefeld en Allemagne, qui a co-écrit un article sur les prédictions QCD. « Il est passionnant de voir ces prédictions des calculs des premiers principes être confirmées par les données expérimentales du RHIC. »

Les scientifiques espèrent renforcer davantage leur confiance dans leurs découvertes et leur recherche d’un point d’arrêt du QGP en analysant les données du Beam Energy Scan II (BES II) du RHIC. Cette mine de données réduira l’incertitude de tous les résultats, en particulier pour les énergies inférieures à 19,6 GeV.

« A partir d’un système thermalisé, nous voyons un schéma régulier de 200 GeV à 62 GeV jusqu’à 19,6. Ensuite, nous voyons quelque chose de » cahoteux « entre 20 et 3 GeV », a déclaré Xu.

Une analyse antérieure des fluctuations de la production nette de protons a suggéré que les bosses pourraient être une indication d’une combinaison particulière de température et de pression où la façon dont le QGP est formé à partir de la matière nucléaire ordinaire change. Ces résultats et l’ajout de données de BES II aideront à affiner la recherche de ce soi-disant point critique.

« Tout est lié », a déclaré Xu.

Cette étude a été soutenue par le DOE Office of Science, la US National Science Foundation et un large éventail d’agences de financement internationales répertoriées dans l’article. Les opérations du RHIC sont financées par le DOE Office of Science. Le RHIC et le NERSC sont des installations d’utilisateurs du DOE Office of Science.

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