Par le ministère américain de l’énergie
2 juillet 2023
Diagramme de phase supposé de la matière nucléaire. De nouvelles données – qui montrent que les énergies de collision élevées produisent un plasma de quarks et de gluons (QGP) alors que les collisions à plus basse énergie n’en produisent pas – aideront les scientifiques à tracer les limites entre le QGP et la phase hadronique. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Grâce à des collisions de noyaux d’or à différentes énergies, les physiciens ont découvert que la création du plasma de quarks et de gluons – un état exotique de la matière – s’arrête à l’énergie de collision la plus basse, à savoir 3 GeV. Cette découverte permet de cartographier les phases de la matière nucléaire et d’identifier les conditions d’existence du plasma de quarks et de sa transition à partir de la matière ordinaire.
Sommaire
La Science
Les physiciens peuvent créer un état exotique de la matière connu sous le nom de plasma de quarks et de gluons (QGP) en faisant entrer en collision des noyaux d’or. En variant systématiquement la quantité d’énergie impliquée dans la collision, les scientifiques ont montré que le plasma de quarks et de gluons existe dans des collisions à des énergies allant de 200 milliards d’électronvolts (GeV) à 19,6 GeV au moins. Cependant, sa production semble être « désactivée » à l’énergie de collision la plus basse, soit 3 GeV. Le signal « éteint » se manifeste par un changement de signe – de négatif à positif – dans les données qui décrivent la distribution des protons produits dans ces collisions.
L’impact
L’analyse a comparé les données avec des simulations numériques qui incluent la formation du QGP. Si les données correspondent aux prédictions, cela prouve qu’un QGP s’est formé. Le changement de signe à l’énergie de collision la plus basse indique donc que la formation de QGP est désactivée à cette énergie. Ces résultats aideront les physiciens à déterminer les phases de la matière nucléaire et les conditions de température et de densité dans lesquelles le QGP peut exister, ainsi que les transitions entre la matière ordinaire et le QGP.
Résumé
La nouvelle analyse a utilisé les données collectées par le détecteur STAR du collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) au cours de la première phase du RHIC Beam Energy Scan pour effectuer une recherche systématique dans 10 énergies de collision différentes. Les scientifiques de la collaboration STAR ont mesuré, événement par événement, le nombre de protons moins le nombre d’antiprotons produits, ainsi que diverses caractéristiques de la distribution de la production nette de protons. Ils ont comparé leurs observations avec des calculs de « premier principe » utilisant les équations de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit les interactions des quarks et des gluons. Cette approche, connue sous le nom de QCD de réseau, simule les interactions quarks-gluons sur des réseaux spatio-temporels 4D.
Aux énergies de collision de 200, 62,4, 54,4, 39, 27 et 19,6 GeV, les données sont compatibles avec un QGP. En dessous de 19,6 GeV, les données continuent de correspondre aux prédictions, bien qu’avec de grandes barres d’erreur indiquant la plage d’incertitude. Mais à l’énergie la plus basse, 3 GeV, les scientifiques ont constaté un changement radical. L’ordre de la hiérarchie entre les caractéristiques analysées s’est inversé, tout comme le signe des relations clés, qui est passé de négatif à positif. Ce changement de signe indique, à l’appui de ces calculs de premier principe, que la formation de QGP est interrompue à l’énergie de collision la plus basse du RHIC.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir When the Universe Changes Its Mind : Point critique dans la transformation de la matière.
Référence : « Beam Energy Dependence of Triton Production and Yield Ratio (Nt×Np/N2d) in Au+Au Collisions at RHIC » par M. I. Abdulhamid et al. (STAR Collaboration), 16 mai 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.202301
Cette recherche a été financée par le Department of Energy Office of Science, Nuclear Physics program, la National Science Foundation, ainsi que par une série d’organisations et d’agences internationales dont la liste figure dans l’article correspondant. L’équipe STAR a utilisé les ressources informatiques du Scientific Data and Computing Center du Brookhaven National Laboratory, du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory et du consortium Open Science Grid.