STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

Pendant un quart de siècle, des scientifiques ont fracassé des noyaux atomiques lourds à des vitesses proches de celle de la lumière pour recréer les conditions qui existaient quelques millionièmes de seconde après le Big Bang. Cet environnement extrême, créé à l'intérieur d'un accélérateur de particules massif connu sous le nom de Relativistic Heavy Ion Collider, est assez chaud et dense pour faire fondre les protons et les neutrons qui composent la matière ordinaire. Lorsque ces particules fondent, elles forment un nouvel état de la matière appelé plasma quarks-gluons, une soupe de particules fondamentales qui s'écoule avec presque aucune friction. En étudiant le comportement de ce plasma, les chercheurs espèrent comprendre les forces fondamentales qui maintiennent l'univers ensemble. Une question clé pour les physiciens a été de déterminer exactement quelle taille de collision est nécessaire avant que cet état de la matière exotique et fluide ne cesse de se former. Le plasma nécessite-t-il une collision massive entre deux atomes d'or lourds, ou peut-il émerger de la collision beaucoup plus petite d'un seul proton avec un noyau lourd ?

Un rapport récent de la collaboration STAR, un groupe de chercheurs opérant un grand détecteur au sein du collisionneur, offre un regard complet sur vingt-cinq années de données pour répondre à ces questions et explorer d'autres mystères du monde subatomique. L'équipe a analysé des collisions impliquant des dizaines de combinaisons différentes d'espèces atomiques, allant de minuscules protons à des atomes d'uranium lourds, et à travers une large gamme de niveaux d'énergie. Leurs travaux confirment que la signature de ce plasma chaud et fluide apparaît même dans des systèmes de collision très petits, à condition que les conditions soient réunies. Ils ont également découvert de nouvelles façons de mesurer la structure interne des noyaux atomiques et ont trouvé des preuves de particules exotiques qui n'existent que pendant un instant fugace avant de se désintégrer.

L'une des découvertes les plus significatives concerne la taille du système nécessaire pour créer ce plasma. Pendant des années, les scientifiques ont débattu pour savoir si le comportement fluide observé dans les grandes collisions était une véritable phase de la matière ou simplement une collection d'interactions de particules indépendantes. L'équipe STAR a étudié cela en faisant entrer en collision des noyaux d'oxygène avec d'autres noyaux d'oxygène, un système bien plus petit que les collisions or sur or utilisées par le passé. Ils ont recherché plusieurs signes distincts de la formation d'un plasma. Ils ont observé que des particules de haute énergie étaient ralenties lorsqu'elles traversaient le milieu, un phénomène connu sous le nom de « jet quenching » (atténuation de jet). Ils ont également constaté que la production de certaines particules lourdes était supprimée, suggérant qu'elles étaient brisées par la chaleur intense. De plus, le rayonnement émis par la collision indiquait une température cohérente avec un plasma chaud, et la production de particules étranges augmentait d'une manière qui correspondait aux prédictions pour un milieu fluide. Lorsqu'ils ont comparé ces collisions d'oxygène à des collisions impliquant du deutérium, un isotope léger de l'hydrogène, ils ont découvert que le comportement fluide dépendait de la forme et de la structure interne des noyaux en collision, confirmant que le signal provient d'une réponse collective de la matière plutôt que du hasard.

Au-delà du plasma lui-même, les chercheurs ont utilisé ces collisions pour étudier l'existence fugace de noyaux atomiques instables. Dans les collisions à basse énergie, ils ont réussi à mesurer la production d'isotopes de lithium si instables qu'ils se désintègrent presque instantanément. En suivant la manière dont ces particules à courte durée de vie interagissaient avec la matière dense environnante, l'équipe a pu tester les théories sur la façon dont les noyaux atomiques sont construits à partir de morceaux plus petits. Ils ont trouvé que les particules plus courtes de vie étaient produites en moins grand nombre que leurs homologues plus stables, un résultat qui reflète directement la compétition entre la formation de ces noyaux et leur destruction par l'environnement environnant. Dans une recherche distincte de matière exotique, l'équipe a recherché des atomes muoniques, des structures rares où un muon, un cousin lourd de l'électron, orbite autour d'un hadron. Ils ont trouvé un signal clair pour ces atomes dans les débris de collision, fournissant une nouvelle méthode pour étudier la production de muons mous qui sont autrement impossibles à détecter directement.

L'étude a également approfondi le spin, ou la rotation intrinsèque, des particules, une propriété qui révèle les secrets profonds du vide quantique. L'équipe a mesuré l'alignement du spin des mésons phi, un type de particule composé d'un quark étrange et de son antiparticule. En analysant la distribution bidimensionnelle complète des particules dans lesquelles ils se désintègrent, ils ont détecté un signal non nul dans les éléments hors diagonale de la matrice de spin. Cela indique que les spins du quark et de l'antiquark sont corrélés d'une manière spécifique. Pour comprendre l'origine de cette corrélation, ils l'ont comparée à des mesures de paires lambda-antilambda dans des collisions de protons, où ils ont trouvé une forte corrélation suggérant que le vide quantique imprime sa structure sur les particules au moment de leur création. L'équipe travaille actuellement pour voir si cette corrélation survit dans le plasma chaud des collisions d'ions lourds, ce qui leur dirait si la chaleur extrême fait fondre la structure du vide ou si elle persiste.

Enfin, les chercheurs ont développé de nouvelles façons de mesurer le flux de la matière créée lors de ces collisions. Ils ont examiné comment la quantité de mouvement moyenne des particules fluctue d'une collision à l'autre, ce qui révèle comment la taille de la boule de feu initiale change. Ces mesures ont permis d'estimer la vitesse du son au sein du plasma quarks-gluons, une valeur qui décrit la rigidité ou la compressibilité du milieu. Leurs résultats suggèrent que la vitesse du son change avec la température d'une manière qui correspond aux calculs théoriques de la chromodynamique quantique sur réseau. Ils ont également trouvé que la façon dont les particules circulent dépend de leur masse, les particules plus lourdes gagnant plus de quantité de mouvement de la part du fluide en expansion, un schéma qui se vérifie dans tous les différents systèmes de collision étudiés. Cette cartographie détaillée des propriétés du plasma offre une image plus claire de la façon dont l'univers se comportait dans ses premiers instants et prépare le terrain pour de futures découvertes dans les décennies à venir.