Centrality dependence of charged-particle pseudorapidity density at midrapidity in Pb-Pb collisions at $\mathbf{\sqrt{\textit{s}_{\rm NN}} = 5.36}$ TeV

Au cœur de la matière, là où les atomes sont dépouillés de leurs couches et où les protons et les neutrons sont contraints de entrer en collision, réside un état d'existence qui n'a pas été vu depuis les premiers instants de l'univers. Lorsque des noyaux atomiques lourds s'entrechoquent à des vitesses approchant celle de la lumière, ils créent une minuscule et éphémère goutte de fluide super-chaud connue sous le nom de plasma de quarks et de gluons. Dans cet environnement extrême, les briques fondamentales de la matière, qui sont habituellement étroitement enfermées à l'intérieur des protons et des neutrons, fondent et circulent librement. Les physiciens étudient ces collisions pour comprendre comment l'univers s'est refroidi et a formé la structure que nous voyons aujourd'hui. Pour ce faire, ils doivent compter les particules qui s'échappent de l'impact. Le nombre de particules produites leur indique la quantité d'énergie concentrée dans la collision et la manière dont la matière s'est comportée lors de ces premiers instants. C'est une façon de mesurer la taille et la forme de la boule de feu créée par l'impact.

Une équipe de scientifiques travaillant avec le détecteur ALICE au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) a maintenant porté un nouveau regard sur ces collisions en utilisant une machine récemment mise à niveau. Ils ont projeté des noyaux de plomb les uns contre les autres à un niveau d'énergie record, créant un système si dense qu'il a nécessité une refonte complète de la capacité du détecteur à suivre la cadence. Les chercheurs se sont concentrés sur le comptage des particules chargées qui ont émergé du centre de la collision. En analysant des milliards de ces événements, ils ont cartographié précisément combien de particules sont produites en fonction de la centralité de la collision. Leur travail confirme que les règles régissant ces minuscules explosions restent valables même à ces nouvelles énergies plus élevées, tout en révélant que la quantité de matière créée croît plus rapidement dans ces collisions lourdes que dans les collisions entre protons uniques.

L'expérience a eu lieu en 2023, lorsque le Grand Collisionneur de Hadrons fonctionnait avec des ions de plomb à une énergie par paire de nucléons dans le centre de masse de 5,36 téra-électronvolts. Il s'agit de l'énergie la plus élevée jamais atteinte pour de telles collisions d'ions lourds. Pour capturer les données, l'équipe d'ALICE s'est appuyée sur deux mises à niveau majeures installées lors d'un long arrêt de l'accélérateur. La première était un nouveau système de traçage interne composé de couches de capteurs de silicium hautement sensibles, et la seconde était une refonte majeure de la grande chambre à projection temporelle, qui agit comme une caméra 3D géante pour les particules. Contrairement aux sessions précédentes où le détecteur attendait un signal pour commencer à enregistrer, le nouveau système fonctionne en mode continu, lisant les données sans interruption. Cela était nécessaire car les collisions se produisaient si fréquemment que le détecteur aurait manqué la plupart d'entre elles s'il avait dû faire une pause entre chaque événement. L'équipe a dû développer un nouveau logiciel pour trier le flux continu d'informations et associer chaque trajectoire de particule au bon sommet de collision.

Les chercheurs ont analysé un échantillon de 1,1 milliard de collisions à biais minimal, ce qui inclut tous les types d'impacts, des chocs de passage aux impacts directs. Ils ont classé ces événements en dix groupes selon la centralité de la collision, en utilisant des signaux provenant de détecteurs vers l'avant pour estimer combien de nucléons des deux noyaux de plomb ont réellement interagi. Pour les collisions les plus centrales, où les noyaux frappent presque droit au centre, l'équipe a constaté que le nombre moyen de particules chargées produites au centre de la collision était de 2 010, avec une faible marge d'erreur. À mesure que les collisions devenaient périphériques, ou de passage, le nombre de particules chutait de manière significative, tombant à environ 21,5 pour les impacts les plus superficiels. Cette variation a permis aux scientifiques d'étudier comment la géométrie de la collision influence la production de matière.

Pour donner un sens à ces chiffres, l'équipe a comparé le nombre de particules au nombre de nucléons participants, qui représente le nombre total de protons et de neutrons ayant pris part au choc. Ils ont constaté que lorsqu'ils normalisaient les données en divisant le nombre de particules par le nombre de paires de nucléons participants, le résultat était de 10,5 pour les collisions les plus centrales. Cette valeur est environ 4 % plus élevée que ce qui a été mesuré lors de collisions similaires à une énergie légèrement inférieure de 5,02 téra-électronvolts. Cette augmentation suit une tendance prévisible observée lors d'expériences précédentes à des énergies plus basses, confirmant que la production de particules dans les collisions d'ions lourds suit une échelle spécifique avec l'énergie. Le taux auquel la production de particules augmente avec l'énergie est plus rapide dans ces collisions lourdes de plomb que dans les collisions entre protons uniques, suggérant que le comportement collectif des nombreux nucléons joue un rôle crucial.

L'article a également testé plusieurs modèles théoriques qui tentent de décrire la formation de ces particules. Certains modèles supposent que la matière forme un fluide qui s'étend et se refroidit selon les lois de l'hydrodynamique, tandis que d'autres traitent la collision comme une série d'interactions individuelles entre nucléons sans aucun comportement de fluide collectif. Les données ont montré que, bien que certains de ces modèles puissent capturer la forme générale des résultats, ils sous-estiment tous systématiquement le nombre réel de particules produites sur toute la gamme de centralité de collision. Un modèle incluant une simulation de la manière dont les particules interagissent après le choc initial se rapprochait davantage de la description des données pour les collisions les plus centrales, mais aucun modèle unique ne parvient à reproduire les résultats pour tous les types de collisions. Cela indique que notre compréhension actuelle des mécanismes pilotant la production de particules dans ces conditions extrêmes est encore incomplète.

Ces conclusions constituent une validation majeure de la mise à niveau du détecteur ALICE et de ses nouvelles capacités de lecture continue. La capacité de reconstruire des milliards d'événements avec une grande précision démontre que le nouveau matériel et le nouveau cadre logiciel peuvent gérer les conditions extrêmes de la session actuelle du Grand Collisionneur de Hadrons. En fournissant une mesure précise de la production de particules à l'énergie la plus élevée jamais atteinte, cette étude établit un nouveau point de référence pour les investigations futures. Elle confirme que les tendances fondamentales observées dans le plasma de quarks et de gluons sont robustes, même lorsque l'énergie des collisions augmente, et souligne la nécessité d'outils théoriques plus sophistiqués pour expliquer pleinement la dynamique complexe de ces explosions subatomiques.