Des physiciens du RHIC étudient les changements de phase de la matière nucléaire à partir de collisions d’ions d’or afin d’identifier un point critique dans ces transformations. Leurs recherches, qui consistent à recréer et à examiner la transition du plasma de quarks et de gluons, un état de la matière présent après le Big Bang, suggèrent que les fluctuations dans la formation des noyaux légers pourraient indiquer ce point critique. Certaines déviations des données laissent entrevoir des fluctuations potentielles, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour confirmer une découverte.
L’analyse des noyaux légers émergeant des collisions d’ions or permet de mieux comprendre les changements de phase de la matière primordiale.
Les physiciens qui analysent les données des collisions d’ions or au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC), une installation de l’Office of Science du ministère américain de l’énergie (DOE) pour la recherche en physique nucléaire au Brookhaven National Laboratory du DOE, sont à la recherche de preuves permettant de fixer un point dit critique dans la manière dont la matière nucléaire passe d’une phase à l’autre.
De nouveaux résultats obtenus par les membres de la collaboration STAR du RHIC et publiés dans la revue Physical Review Letters indiquent que les calculs prédisant le nombre de noyaux légers devant émerger des collisions pourraient aider à marquer ce point sur la feuille de route des changements de phase nucléaire. La preuve de l’existence d’un point critique, c’est-à-dire d’un changement dans la manière dont la matière nucléaire passe d’une phase à l’autre, est essentielle pour répondre aux questions fondamentales sur la composition de notre univers.
Le « cœur » du détecteur STAR au collisionneur d’ions lourds relativistes de Brookhaven est la chambre de projection temporelle, qui suit et identifie les particules émergeant des collisions d’ions. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
« On peut imaginer le diagramme de phase nucléaire comme un pont reliant le passé – le Big Bang et l’univers primitif – à la matière visible telle que nous la connaissons aujourd’hui, et même aux étoiles à neutrons », explique Xiaofeng Luo, membre de la collaboration STAR du RHIC de l’Université normale de Chine centrale (CCNU), qui a dirigé un groupe d’étudiants dans le cadre de cette analyse. « C’est important d’un point de vue scientifique et pour la compréhension humaine de nos origines.
Groupe de recherche sur le point critique
Les collisions du RHIC recréent un état chaud et dense de la matière qui a existé pendant une infime fraction de seconde juste après le Big Bang, il y a environ 14 milliards d’années. Cette matière, appelée plasma de quarks et de gluons (QGP), est une soupe de quarks et de gluons « libres », les éléments constitutifs des protons et des neutrons qui composent les noyaux atomiques. La collision d’ions lourds à différentes énergies permet aux physiciens du RHIC d’étudier comment les collisions créent cette soupe primordiale et comment elle se transforme à nouveau en matière nucléaire ordinaire.
Pour déceler les signes d’un point critique, où le type de transition entre le PQG et la matière ordinaire passe d’un passage en douceur (où deux phases coexistent, comme lorsque le beurre fond progressivement par une journée chaude) à un changement soudain (comme l’eau qui bout soudainement), les scientifiques recherchent des fluctuations dans les éléments qu’ils mesurent à l’issue des collisions.
Cartographier les changements de phase nucléaire revient à étudier comment l’eau change dans différentes conditions de température et de pression (densité nette de baryons pour la matière nucléaire). Les collisions du RHIC font « fondre » les protons et les neutrons pour créer le plasma de quarks et de gluons (QGP). Les physiciens de STAR explorent les collisions à différentes énergies, en tournant les « boutons » de la température et de la densité de baryons, afin de rechercher les signes d’un « point critique ». Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Une étude antérieure a trouvé des signes alléchants du type de fluctuations auxquelles les scientifiques s’attendraient autour du point critique en examinant le nombre de protons nets produits aux différentes énergies de collision. Les protons, composés chacun de trois quarks, se forment lorsque le QGP se refroidit et peuvent servir de substitut à la densité globale de baryons (les baryons étant toutes les particules composées de trois quarks, ce qui inclut également les neutrons).
Les scientifiques s’attendent à ce que plus la densité de baryons de la matière augmente, plus il est probable que ces protons et ces neutrons coalescent, ou se rassemblent, pour former des noyaux légers lorsque le QGP « gèle ». Dans cette étude, les chercheurs ont donc essayé de suivre le rendement d’un type de noyau léger, appelé triton, composé d’un proton et de deux neutrons. L’observation des fluctuations de la production de tritons pourrait les aider à déterminer le point critique.
Comme dans l’étude précédente, les données ont été recueillies par le Solenoidal Tracker du RHIC, un détecteur de particules connu sous le nom de STAR, au cours de la première phase du Beam Energy Scan (BES-I). Ce programme a enregistré des instantanés de collisions à différentes énergies et températures entre 2010 et 2017, afin de saisir les changements dans le nombre et le type de particules émises. Cette nouvelle analyse s’appuie sur un article que le physicien de Brookhaven Zhangbu Xu et ses collègues ont publié en 2017, prédisant que le taux de rendement des noyaux légers tels que les tritons devrait être lié au point critique.
Le suivi des fluctuations du rapport de rendement des noyaux légers, tels que les deutérons et les tritons, émergeant des collisions au sein du détecteur STAR devrait être sensible à un point critique. Les données (points rouges) correspondent en grande partie aux prévisions (zones ombrées), mais deux points aberrants peuvent être des signes du type de fluctuations que les scientifiques s’attendent à observer autour du point critique. Crédit : Collaboration STAR
« La formation de ces noyaux légers nécessite une certaine densité de baryons », explique Dingwei Zhang, membre de la collaboration STAR du RHIC et doctorant au CCNU. « Si le système s’approche du point critique, la densité de baryons fluctue beaucoup. Nous voulions donc voir, grâce à cette analyse, si nous pouvions observer ces fluctuations, et donc déterminer le point critique. »
Les données obtenues pour la plupart des énergies de collision analysées correspondent aux modèles des théoriciens sur la façon dont les nouveaux noyaux se forment lorsque les protons et les neutrons s’assemblent par coalescence. Mais à deux endroits – lors de collisions à 19,6 milliards de volts électoraux (GeV) et à 27 GeV – les données sont sorties de la ligne de base prédite par le modèle, laissant entrevoir les fluctuations tant convoitées.
Ces points ont une importance combinée qui n’atteint pas encore le niveau requis pour revendiquer une découverte en physique.
« Nous espérions que cette analyse serait sensible au point critique », a déclaré Luo. « Nous sommes très heureux de voir ces valeurs aberrantes ici et c’est certainement encourageant. À terme, si le point critique existe dans la gamme d’énergie que nous avons couverte, toutes ces observables devraient donner un signal cohérent. »
Les chercheurs sont impatients de voir ce que les analyses d’une pléthore de données supplémentaires sur les collisions révéleront. En 2021, la collaboration STAR a achevé avec succès la deuxième phase du Beam Energy Scan (BES II), qui a capturé des instantanés de collision avec l’or à différentes énergies du RHIC, y compris à l’énergie la plus basse de 3 GeV.
« Nous espérons que les données de BES II nous aideront à améliorer la sensibilité à un signal de point critique », a déclaré Luo. « Avec des statistiques plus élevées, nous pourrons peut-être atteindre le niveau de signification requis pour annoncer une découverte. Et ce serait énorme.
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
La recherche a été financée par le DOE Office of Science (NP), l’U.S. National Science Foundation et une série d’organisations et d’agences internationales énumérées dans l’article scientifique.