Examiner les détails fascinants des collisions à des énergies extrêmes

Les phases initiales des collisions d’ions lourds se produisant aux énergies maximales disponibles au Grand collisionneur de hadrons du CERN restent une énigme de la physique nucléaire moderne. De nouveaux outils théoriques améliorés par les physiciens de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences de Cracovie aideront à percer ce mystère.

Les phénomènes se produisant lors des collisions nucléaires sont si rapides et impliquent des particules si petites qu’ils ne peuvent être observés directement. Deviner le déroulement de ce genre de processus ressemble au travail d’un détective. De même qu’il est incapable d’observer le crime en train de se commettre et doit en reconstituer une image à partir des témoignages, les physiciens tentent de reconstituer le déroulement des phénomènes nucléaires à partir des « récits » rendus par les particules secondaires nées des collisions et enregistrés. par des détecteurs.

La tâche de Sherlock Holmes était cependant beaucoup plus facile : il pouvait parler librement à ses témoins, alors que les physiciens ne peuvent qu’observer le comportement des particules. Afin de reconstituer le déroulement réel du « crime » (les collisions de noyaux atomiques), ils doivent créer un langage adapté à la description des événements (outils mathématiques) et l’utiliser pour raconter ce qui s’est passé (à l’aide d’un modèle théorique). du phénomène), puis comparer si le « témoignage » ainsi obtenu concorde avec ce que semblent « dire » les particules enregistrées.

Les processus particulièrement difficiles à étudier comprennent les phénomènes qui se produisent dans les premiers stades des collisions d’ions lourds dans l’accélérateur LHC, lorsqu’un plasma de quarks et de gluons peut se former. Il s’agit d’un état de la matière dans lequel les quarks et les gluons se comportent comme des particules libres (dans le monde qui nous entoure, les quarks et les gluons sont toujours liés par les interactions fortes et restent à l’intérieur des hadrons, c’est-à-dire des protons ou des neutrons).

Le plasma quark-gluon se termine extrêmement rapidement car il se refroidit en se dilatant. Les quarks et les gluons sont ensuite à nouveau piégés dans les hadrons, créant ainsi des particules secondaires enregistrées dans les détecteurs. On peut conclure si un plasma quark-gluon a été créé en analysant les corrélations dites avant-arrière entre les particules produites lors de collisions.

« Les corrélations avant-arrière mesurent la relation entre le nombre de particules produites vers l’avant et vers l’arrière lorsque des faisceaux d’ions lourds entrent en collision. Bien que ces corrélations concernent des particules très éloignées les unes des autres, elles contiennent des informations sur le stade précoce de la collision. En effet, les corrélations entre les particules émises vers l’avant et vers l’arrière n’auraient pu se former qu’avant qu’elles ne s’éloignent les unes des autres, c’est-à-dire au début de la collision », explique le Dr Iwona Sputowska de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, physicien membre de la collaboration scientifique ALICE au LHC.

Le problème des corrélations, cependant, est que, utilisées de manière incompétente, elles peuvent conduire à de fausses conclusions. Supposons, par exemple, que nous menions une étude sur l’intelligence des enfants dans toutes les écoles primaires. On pourrait alors trouver une corrélation selon laquelle plus un enfant est intelligent, plus il… pèse.

Or, on sait qu’en réalité l’intelligence et le poids sont corrélés à une autre variable : l’âge de l’enfant. Ainsi, si nous limitons notre étude aux enfants du même âge, la corrélation entre leur intelligence et leur poids diminue considérablement. La corrélation entre intelligence et poids est donc sensible aux fluctuations d’âge dans le groupe d’enfants : il y a beaucoup d’enfants d’âges différents dans toute l’école, mais au sein d’une même classe, les différences d’âge sont faibles.

Nous sommes confrontés à un défi analogue lors de l’examen des corrélations dans les collisions d’ions lourds. La relation entre le nombre de particules produites en avant et en arrière est sensible aux fluctuations dans la manière dont les deux noyaux atomiques sont entrés en collision, par exemple s’ils sont entrés en collision de manière centrale ou s’ils se sont simplement effleurés.

Pour résoudre ce problème, le concept de variables fortement intensives a été introduit. Ces quantités sont définies de telle sorte qu’elles ne dépendent ni de la manière dont les deux ions sont entrés en collision, ni de l’ampleur de la fluctuation de la géométrie de la collision dans le groupe d’événements étudiés.

Une variable de corrélation fortement intensive est sigma. Son objectif était de fournir des informations sur la manière dont la source moyenne produit des particules secondaires. Cependant, en analysant les données recueillies lors des collisions de noyaux plomb-plomb et xénon-xénon dans le cadre de l’expérience ALICE, le Dr Sputowska a remarqué qu’aucun des modèles les plus populaires utilisés pour décrire ces phénomènes ne correspond au comportement de la variable sigma.

« Il ne peut y avoir qu’une seule conclusion. Puisque nos modèles ne décrivent pas correctement les données expérimentales pour les collisions les plus énergétiques disponibles au LHC, cela signifie que nous modélisons incorrectement la manière dont la source moyenne produit des particules secondaires », explique le Dr Sputowska.

De manière inattendue, les modèles de collision proposés il y a plus de 45 ans par des théoriciens de Cracovie se sont révélés utiles pour comprendre le comportement du sigma. Ils ont traité les collisions de noyaux atomiques lourds comme des collisions multiples de nucléons uniques d’un noyau avec des nucléons uniques de l’autre noyau (dans le modèle du nucléon blessé) ou comme des collisions non pas de protons et de neutrons, mais de quarks (dans le modèle des quarks blessés).

Dans ces modèles, on suppose que des sources uniques et indépendantes sont responsables de la production de particules secondaires, qui sont respectivement des nucléons ou des quarks.

Les modèles précédents supposaient que la source moyenne générait des particules secondaires avec les mêmes probabilités avant et arrière. Sigma, par définition, devrait alors être égal à un. Il s’avère que sa dépendance réelle à la géométrie de collision peut être reproduite si l’on admet la possibilité que la source moyenne émette des particules vers l’avant avec une probabilité légèrement différente de celle vers l’arrière.

Dans le modèle du nucléon blessé, un terme supplémentaire apparaît alors dans la formule sigma, en fonction de la géométrie de la collision, et sigma cesse d’être une variable fortement intensive.

Cependant, cette situation donne lieu à une contradiction intrigante, car sigma perd son statut de variable fortement intensive tout en décrivant correctement les données expérimentales qui ne dépendent pas des changements dans la géométrie des collisions.

Pourquoi? La solution au problème s’est avérée résider dans le fait que dans le modèle de source blessée, sigma donne toujours les valeurs de la corrélation avant-arrière pour le nombre moyen de nucléons/quarks blessés, c’est-à-dire pour la géométrie moyenne de collision dans un groupe de collision donné. . Cette situation peut être comparée à la mesure de la corrélation entre l’intelligence et le poids des enfants d’un groupe où l’âge moyen de l’enfant est fixé.

« Une compréhension détaillée de la nature du sigma nous a permis de déterminer la fonction de fragmentation, reliant le nombre de particules produites par les nucléons dans le modèle au nombre de particules mesurées dans les détecteurs. Pour la première fois, pour les énergies de collision les plus élevées au niveau Au LHC, nous avons pu construire des outils qui nous permettent de falsifier de manière fiable ce comportement sigma très intrigant », conclut le Dr Sputowska.

La recherche est publiée dans la revue Examen physique C.