Les étoiles à neutrons dans l’univers, les gaz atomiques ultra-froids en laboratoire et le plasma quark-gluon créé lors de collisions de noyaux atomiques au Grand collisionneur de hadrons (LHC) : ils peuvent sembler totalement indépendants mais, étonnamment, ils ont quelque chose en commun. Ils constituent tous un état de matière semblable à un fluide, composé de particules en forte interaction. Les connaissances sur les propriétés et le comportement de chacun de ces liquides presque parfaits peuvent être essentielles à la compréhension de la nature à des échelles très éloignées.
Dans un nouvel article, la collaboration CMS rapporte la mesure la plus précise à ce jour de la vitesse à laquelle le son se déplace dans le plasma quark-gluon, offrant ainsi de nouvelles informations sur cet état extrêmement chaud de la matière.
Le son est une onde longitudinale qui traverse un milieu, produisant des compressions et des raréfactions de la matière dans la même direction que son mouvement. La vitesse du son dépend des propriétés du milieu, telles que sa densité et sa viscosité. Il peut donc être utilisé comme sonde du milieu.
Au LHC, le plasma quarks-gluons se forme lors de collisions entre ions lourds. Dans ces collisions, pendant une très petite fraction de seconde, une énorme quantité d’énergie se dépose dans un volume dont la taille maximale est celle du noyau d’un atome. Les quarks et les gluons émergeant de la collision se déplacent librement dans cette zone, créant un état de matière semblable à un fluide dont la dynamique collective et les propriétés macroscopiques sont bien décrites par la théorie.
Illustration du plasma quark-gluon formé lors de collisions entre ions lourds. Crédit : CERN
La vitesse du son dans cet environnement peut être obtenue à partir de la vitesse à laquelle la pression change en réponse aux variations de densité d’énergie ou, alternativement, à partir de la vitesse à laquelle la température change en réponse aux variations d’entropie, qui est une mesure du désordre dans un environnement. système.
Dans les collisions d’ions lourds, l’entropie peut être déduite du nombre de particules chargées électriquement émises par les collisions. La température, en revanche, peut être déduite du moment transversal moyen (c’est-à-dire le moment transversal à l’axe de collision) de ces particules.
En utilisant les données de collisions plomb-plomb à une énergie de 5,02 billions d’électronvolts par paire de nucléons (protons ou neutrons), la collaboration CMS a mesuré pour la première fois comment la température varie avec l’entropie dans les collisions centrales d’ions lourds, dans lesquelles le les ions entrent en collision frontale et se chevauchent presque complètement.
De cette mesure, ils ont obtenu une valeur de vitesse du son dans ce milieu proche de la moitié de la vitesse de la lumière et d’une précision record : en unités de vitesse de la lumière, le carré de la vitesse du son est de 0,241, avec une incertitude statistique. de 0,002 et une incertitude systématique de 0,016. En utilisant le moment transversal moyen, ils ont également déterminé que la température effective du plasma quark-gluon était de 219 millions d’électronvolts (MeV), avec une incertitude systématique de 8 MeV.
Les résultats correspondent aux attentes théoriques et confirment que le plasma quark-gluon agit comme un fluide constitué de particules transportant d’énormes quantités d’énergie.
Le papier est publié sur le arXiv serveur de préimpression.
Plus d’information:
Extraire la vitesse du son dans la matière en forte interaction créée lors des collisions plomb-plomb ultrarelativistes au LHC, arXiv (2024). DOI : 10.48550/arxiv.2401.06896