Yoctosecond imaging of the 129Xe ground state at the Large Hadron Collider

Pour comprendre le noyau d'un atome, les scientifiques s'appuient depuis longtemps sur deux manières très différentes d'observer le monde. Une approche utilise des expériences à basse énergie, où des faisceaux de particules sondent délicatement la surface d'un noyau, révélant sa forme et sa taille moyennes. L'autre utilise des collisions à haute énergie, fracassant des atomes à des vitesses proches de celle de la lumière pour créer une brève boule de feu de particules subatomiques brûlante. Pendant des décennies, ces deux mondes sont restés largement séparés. Les collisions à haute énergie étaient principalement perçues comme un moyen d'étudier les forces fondamentales qui maintiennent la matière ensemble, tandis que les méthodes à basse énergie étaient la norme pour cartographier la structure des atomes individuels. Cependant, une nouvelle perspective a émergé : la collision violente elle-même peut agir comme un appareil photo, prenant un instantané de l'arrangement interne du noyau avant qu'il ne soit détruit. Cela est possible parce que la collision se produit si rapidement que les positions des protons et des neutrons à l'intérieur du noyau sont effectivement figées sur place pendant l'impact. En analysant les débris qui s'échappent après le crash, les physiciens peuvent travailler à rebours pour reconstruire l'arrangement de ces particules, ce qui permet d'imager le noyau d'une manière qui était auparavant impossible.

Une équipe de chercheurs du CERN a maintenant franchi une étape significative dans ce concept, en utilisant les données du Grand Collisionneur de Hadrons pour créer une image détaillée de l'état fondamental du noyau de xénon-129. Dans une étude publiée récemment, ils ont combiné un modèle du noyau en tant qu'objet rotatif et déformé avec des simulations informatiques complexes de la collision résultante. L'objectif était d'aller au-delà de la simple supposition de la forme du noyau et de passer à l'extraction de mesures précises et quantitatives de la manière dont ses protons et ses neutrons sont corrélés entre eux. En analysant les motifs de particules produits lors de collisions entre atomes de xénon, et en les comparant aux collisions entre atomes de plomb, l'équipe a pu déterminer que le noyau de xénon-129 n'est pas une sphère parfaite, ni une simple ellipse. Au lieu de cela, il possède une asymétrie complexe à trois côtés, une forme qui s'aligne avec les prédictions théoriques pour cet isotope spécifique. Cette réussite marque un passage de l'observation qualitative à la mesure quantitative, permettant aux scientifiques d'utiliser les collisionneurs de particules comme des instruments de précision pour cartographier la géométrie interne des noyaux atomiques.

Le processus repose sur les conditions uniques créées lorsque deux ions lourds entrent en collision à des vitesses ultra-relativistes. Lorsqu'un noyau de xénon percute un autre, l'interaction se produit en moins d'un yoctoseconde, une échelle de temps si courte que les protons et les neutrons à l'intérieur ne peuvent ni bouger ni se réorganiser pendant l'impact. Ils sont figés dans la configuration qu'ils détenaient juste avant le crash. Cette configuration figée est ensuite projetée sur le plan de la collision, créant un motif géométrique spécifique. Ce motif dicte la manière dont la boule de feu de matière chaude résultante, connue sous le nom de plasma de quarks et de gluons, se développe et se refroidit. Si le noyau est rond, la boule de feu se développe uniformément. Si le noyau est étiré ou aplati, la boule de feu se développe davantage dans certaines directions que dans d'autres. En mesurant le flux final de particules émergeant de cette boule de feu, spécifiquement comment elles se déplacent les unes par rapport aux autres, les physiciens peuvent déduire la forme du noyau d'origine.

Les chercheurs se sont concentrés sur l'isotope xénon-129, qui est connu pour être déformé, ce qui signifie qu'il n'est pas une sphère parfaite. Ils ont utilisé une méthode statistique appelée inférence bayésienne pour analyser un ensemble massif de données de collisions. Cette méthode leur a permis de tester des millions de formes et d'orientations possibles par rapport aux données expérimentales pour voir lesquelles correspondaient aux flux de particules observés. Ils ont trouvé que les données soutiennent fortement un modèle où le noyau de xénon est triaxial, ce qui signifie qu'il possède trois axes inégaux, ressemblant à une forme légèrement écrasée et irrégulière plutôt qu'à un simple ballon de rugby ou à une crêpe. L'étude a déterminé que la déformation est presque maximale, avec un angle d'asymétrie spécifique d'environ 40 degrés. Ce résultat est significatif car il correspond à des calculs indépendants réalisés par d'autres méthodes théoriques, confirmant que l'approche par collision à haute énergie peut extraire de manière fiable des détails structurels qui n'étaient auparavant accessibles que par des expériences à basse énergie.

Au-delà de la simple confirmation de la forme, l'étude a fourni les premières mesures expérimentales de corrélations spécifiques entre les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau. Dans un système quantique, la position d'une particule est souvent liée à la position d'une autre, un phénomène connu sous le nom de corrélation. Les chercheurs ont été capables de quantifier ces liens pour les paires de particules et les groupes de trois. Ils ont découvert que l'arrangement de ces particules crée une signature distincte dans les débris de la collision. Par exemple, ils ont mesuré comment la taille globale du noyau est liée à sa forme, trouvant une relation spécifique qui est vraie pour cet isotope. Ces mesures servent de nouveaux points de référence pour les théoriciens qui tentent de construire des modèles fondamentaux du noyau à partir de zéro. En fournissant des nombres concrets pour ces corrélations, l'étude offre une nouvelle façon de tester et d'affiner les théories qui décrivent comment la force nucléaire forte lie la matière.

Les implications de ce travail s'étendent au-delà de la structure d'un seul atome. La capacité d'extraire une structure nucléaire détaillée à partir de collisions à haute énergie ouvre une nouvelle voie pour l'étude des propriétés fondamentales de la matière. Les chercheurs ont noté que leurs découvertes pourraient aider à améliorer les calculs de la double désintégration bêta sans neutrino, un processus rare qui, s'il était observé, prouverait que les neutrinos sont leurs propres antiparticules. Comprendre l'arrangement précis des nucléons dans les noyaux parents est crucial pour prédire le taux de cette désintégration. De plus, les techniques développées ici pourraient être appliquées à d'autres isotopes, révélant potentiellement de nouveaux détails sur la force nucléaire et le comportement de la matière dans des conditions extrêmes. L'étude a également abordé le noyau de plomb-208, trouvant des preuves d'un type différent de déformation qui avait été suggéré par d'autres expériences, validant davantage la sensibilité de la méthode.

Cette recherche démontre que le Grand Collisionneur de Hadrons, souvent associé à la recherche de nouvelles particules et aux origines de l'univers, peut également servir de microscope puissant pour le noyau atomique. En traitant la collision comme une sonde soudaine qui fige la configuration nucléaire, les scientifiques ont transformé un événement destructeur en une source d'informations structurelles précises. Le succès de l'équipe dans la cartographie du xénon-129 suggère que cette approche peut être utilisée pour explorer les états fondamentaux de nombreux autres isotopes, fournissant une mine de nouvelles données pour les physiciens nucléaires. Les conclusions confirment que la dynamique complexe de nombreux corps de protons et neutrons laisse une empreinte claire et mesurable sur les débris des collisions à haute énergie, comblant ainsi le fossé entre le monde de la haute énergie de la physique des particules et le monde de la structure nucléaire de la basse énergie.