Nouveau pilote pour les formes de petites gouttes de plasma quark-gluon ?

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De nouvelles mesures de la façon dont les particules s’écoulent des collisions de différents types de particules au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) ont fourni de nouvelles informations sur l’origine de la forme des points chauds de matière générés lors de ces collisions. Les résultats pourraient conduire à une meilleure compréhension des propriétés et de la dynamique de cette forme de matière, connue sous le nom de plasma quark-gluon (QGP).

Le QGP est une soupe de quarks et de gluons qui composent les protons et les neutrons des noyaux atomiques au cœur de toute matière visible dans l’univers. Les scientifiques pensent que l’univers entier était rempli de QGP juste après le Big Bang il y a environ 14 milliards d’années, avant la formation de protons et de neutrons. RHIC, une installation utilisateur du Bureau des sciences de l’énergie du Département américain de l’énergie pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire national de Brookhaven, crée QGP en faisant entrer en collision les noyaux d’atomes à une vitesse proche de celle de la lumière. Les collisions font fondre les frontières des protons et des neutrons, libérant momentanément les quarks et les gluons de leur confinement dans ces blocs de construction nucléaires ordinaires (collectivement appelés nucléons).

La nouvelle analyse des données du détecteur STAR du RHIC suggère que la forme du QGP créé lors de collisions de petits noyaux avec de gros peut être influencée par la sous-structure du plus petit projectile, c’est-à-dire l’arrangement interne des quarks et des gluons à l’intérieur des protons et les neutrons du plus petit noyau. Cela contraste avec les publications sur les données du détecteur PHENIX du RHIC, qui rapportaient que la forme du QGP était déterminée par la plus grande échelle postes des nucléons individuels et donc les formes des noyaux en collision.

« La question de savoir si la forme du QGP est déterminée par les positions des nucléons ou par leur structure interne est une enquête de longue date dans le domaine. La récente mesure menée par la collaboration STAR fournit des indices significatifs pour aider à résoudre cette question », a-t-il ajouté. a déclaré Roy Lacey, professeur à l’Université Stony Brook et auteur principal de l’article STAR.

Il s’avère que les différences dans les résultats STAR et PHENIX peuvent être dues à la façon dont les deux détecteurs ont effectué leurs mesures respectives, chacun observant les gouttelettes QGP d’un point de vue différent.

Suivi des corrélations à deux particules

Comme le rapporte la collaboration STAR dans un article qui vient d’être publié dans Lettres d’examen physique, leurs mesures proviennent d’une analyse des particules émergeant majoritairement au centre de leur détecteur, tout autour du tube de faisceau. En examinant les angles entre les paires de particules dans cette région de « rapidité moyenne », les physiciens peuvent détecter s’il y a plus de particules circulant dans des directions particulières.

« Vous utilisez une particule pour déterminer la direction et en utilisez une autre pour mesurer la densité autour d’elle », a déclaré Jiangyong Jia, physicien au Brookhaven Lab et à l’Université de Stony Brook. Plus les particules sont proches dans les angles, plus la densité/plus de particules dans cette direction est élevée.

Ces schémas d’écoulement peuvent être établis par des gradients de pression associés à la forme du QGP. L’équipe STAR a analysé les schémas de flux de trois systèmes de collision différents : des protons uniques entrant en collision avec des noyaux d’or ; des deutérons à deux nucléons (un proton et un neutron) entrant en collision avec de l’or ; et des noyaux d’hélium-3 à trois nucléons (deux protons et un neutron) entrant en collision avec de l’or. Les données ont été recueillies sur trois cycles distincts en 2014 (hélium), 2015 (protons) et 2016 (deutérons).

Les résultats de flux de PHENIX étaient basés sur des corrélations entre les particules à mi-rapidité et les particules émises loin dans la région avant de leur détecteur. Cette analyse a révélé que les points de QGP et les modèles de flux établis dans ces trois systèmes de collision étaient associés à la forme du projectile entrant en collision avec le noyau d’or : les protons sphériques créaient des gouttes circulaires de QGP avec un flux uniforme, les deutérons allongés à deux particules produisaient des gouttes allongées. et des modèles d’écoulement elliptiques, et des noyaux d’hélium-3 à trois particules grossièrement triangulaires ont produit des gouttes triangulaires de QGP avec un écoulement triangulaire proportionnellement plus fort.

« Vous pouviez voir une empreinte claire de la forme du noyau sur les mesures de flux elliptiques et triangulaires de PHENIX », a déclaré James Dunlop, directeur associé de physique nucléaire au département de physique du Brookhaven Lab.

En revanche, selon Shengli Huang, un chercheur scientifique de l’Université de Stony Brook qui a dirigé l’analyse STAR, « les schémas d’écoulement triangulaires ‘v3’ de STAR étaient tous les mêmes, quel que soit le projectile que nous examinions. Il semble que l’empreinte de la forme triangulaire du noyau d’hélium-3, produisant des schémas d’écoulement v3 plus prononcés que les deux autres systèmes, est absente.Nos résultats indiquent que les fluctuations de la sous-structure du nucléon jouent un rôle plus important dans la détermination de la forme du QGP que les changements dans le nombre de nucléons et leurs positions. »

Takahito Todoroki, professeur adjoint à l’Université de Tsukuba, a effectué une contre-vérification indépendante de l’analyse STAR et a trouvé le même résultat.

Une question de point de vue

« Les deux ensembles de mesures de STAR et PHENIX ont été rigoureusement vérifiés par des équipes indépendantes au sein des deux collaborations, et il n’y a aucun doute sur les résultats », a déclaré Dunlop.

Les théoriciens ont proposé quelques explications.

« Alors que les résultats de STAR peuvent être interprétés comme des fluctuations de sous-nucléons jouant un rôle important dans la détermination de la géométrie du QGP et l’atténuation de l’influence de la forme triangulaire, et que les résultats de PHENIX indiquent que la forme du QGP est dictée par les fluctuations de la position du nucléon, les expériences sont pas nécessairement incohérent », a déclaré Bjoern Schenke, théoricien du Brookhaven Lab. « La prise en compte du fait que la goutte de QGP change le long de la direction longitudinale pourrait expliquer les différences. »

Comme l’a expliqué Jiangyong Jia, « Lorsqu’une collision crée un QGP, vous ne produisez pas seulement une tranche de QGP ; vous pouvez l’imaginer comme un cylindre le long de la direction du faisceau. Si vous allez à l’extrémité avant du cylindre, la géométrie peut ne pas être le même que si vous regardiez droit au milieu de ce cylindre. Il pourrait y avoir beaucoup de fluctuations le long de la direction du faisceau.

Alors que STAR mesure à mi-rapidité, l’analyse PHENIX des corrélations entre les particules à mi-rapidité avec les particules « avant » éloignées longitudinalement peut refléter cette évolution longitudinale du QGP. Cette différence de perspective peut expliquer les différents résultats.

Une analyse théorique récente menée par Schenke a trouvé des preuves de telles fluctuations longitudinales. Ce travail, qui inclut également les fluctuations des sous-nucléons, suggère que la variation longitudinale du QGP pourrait expliquer au moins une partie de la différence entre les résultats STAR et PHENIX v3.

« Ces résultats soulignent la richesse de la physique QGP et l’importance de comparer les résultats de différents détecteurs », a déclaré Dunlop.

Analyses futures

Les physiciens de STAR ont un plan pour explorer ces explications en analysant des données supplémentaires provenant de collisions deutéron-or, collectées par STAR en 2021. Ces mesures ont utilisé des composants améliorés de STAR installés dans la région avant de ce détecteur dans le temps écoulé depuis le deutéron d’origine. -des données d’or ont été recueillies.

« En analysant ces données, nous devrions être en mesure de faire les deux mesures – regarder les corrélations des particules moyennes-moyennes et les corrélations moyennes-avant – dans le même détecteur », a déclaré Huang.

Si les scientifiques confirment à la fois les résultats publiés dans cet article et les résultats précédents de PHENIX, ce serait une preuve claire des fluctuations longitudinales du QGP.

En outre, le RHIC a également effectué des collisions entre deux faisceaux de noyaux d’oxygène pendant une partie de la course en 2021. L’analyse de ces données entre des collisions de noyaux à peu près sphériques, chacun composé de 16 nucléons, pourrait aider à démêler l’impact des fluctuations des sous-nucléons de la forme nucléaire.

« En ajoutant plus de nucléons, nous diluons l’influence des fluctuations au sein de chaque nucléon », a déclaré Jia. « Nous savons déjà que dans les collisions or-or, avec 197 nucléons, les fluctuations des sous-nucléons n’influencent pas les schémas d’écoulement, mais que se passe-t-il si vous choisissez quelque chose qui n’est pas si gros ? »

« Parce que nous avons le même système de collision (deutéron-or), nous pouvons maintenant répéter les mesures précédentes de PHENIX et STAR dans la même expérience avec le même système de collision. Cela nous permettra de quantifier directement à quel point toute variation longitudinale observée contribue à la différence entre les résultats de STAR et PHENIX. »

Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science (NP), la US National Science Foundation et une série d’organisations et d’agences internationales répertoriées dans l’article scientifique. L’équipe STAR a utilisé les ressources informatiques du Scientific Data and Computing Center du Brookhaven Lab, du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE et du consortium Open Science Grid.

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