Les particules de lumière peuvent créer un écoulement de fluide, suggère une comparaison de la théorie des données

Une nouvelle analyse informatique par des théoriciens du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie et de la Wayne State University soutient l’idée que les photons (alias particules de lumière) entrant en collision avec des ions lourds peuvent créer un fluide de particules « fortement en interaction ». Dans un article qui vient d’être publié dans Lettres d’examen physiqueils montrent que les calculs décrivant un tel système concordent avec les données recueillies par le détecteur ATLAS du Large Hadron Collider (LHC) en Europe.

Comme l’explique l’article, les calculs sont basés sur le flux hydrodynamique de particules observé dans les collisions frontales de divers types d’ions au LHC et au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), une installation utilisateur du DOE Office of Science pour la recherche en physique nucléaire. au Laboratoire de Brookhaven. Avec seulement des changements modestes, ces calculs décrivent également les modèles de flux observés dans les quasi-collisions, où les photons qui forment un nuage autour des ions en vitesse entrent en collision avec les ions du faisceau opposé.

« Le résultat est qu’en utilisant le même cadre que nous utilisons pour décrire les collisions plomb-plomb et proton-plomb, nous pouvons décrire les données de ces collisions ultra-périphériques où nous avons un photon entrant en collision avec un noyau de plomb », a déclaré Bjoern, théoricien du Brookhaven Lab. Schenke, co-auteur de l’article. « Cela vous indique qu’il est possible que dans ces collisions photon-ion, nous créions un petit milieu dense à forte interaction qui est bien décrit par l’hydrodynamique, tout comme dans les systèmes plus grands. »

Signatures fluides

Les observations de particules s’écoulant de manière caractéristique ont été la preuve essentielle que les systèmes de collision plus importants (collisions plomb-plomb et proton-plomb au LHC, et collisions or-or et proton-or au RHIC) créent un fluide presque parfait. On pensait que les modèles d’écoulement provenaient des énormes gradients de pression créés par le grand nombre de particules en interaction forte produites là où les ions en collision se chevauchent.

« En brisant ensemble ces noyaux à haute énergie, nous créons une densité d’énergie si élevée – en compressant l’énergie cinétique de ces gars dans un si petit espace – que ce truc se comporte essentiellement comme un fluide », a déclaré Schenke.

Les particules sphériques (y compris les protons et les noyaux) entrant en collision frontale devraient générer un gradient de pression uniforme. Mais les collisions qui se chevauchent partiellement génèrent un gradient de pression oblong en forme d’amande qui pousse plus de particules à haute énergie le long de l’axe court que perpendiculairement à celui-ci.

Ce modèle de « flux elliptique » a été l’un des premiers indices que les collisions de particules au RHIC pourraient créer un plasma quark-gluon, ou QGP – une soupe chaude des éléments fondamentaux qui composent les protons et les neutrons des noyaux/ions. Les scientifiques ont d’abord été surpris par le comportement liquide du QGP. Mais plus tard, ils ont établi le flux elliptique comme une caractéristique déterminante du QGP et la preuve que les quarks et les gluons interagissaient toujours fortement, même lorsqu’ils n’étaient pas confinés dans des protons et des neutrons individuels. Des observations ultérieures de schémas d’écoulement similaires dans les collisions de protons avec de gros noyaux suggèrent de manière curieuse que ces systèmes de collision proton-noyau peuvent également créer de minuscules grains de soupe quark-gluon.

« Notre nouvel article vise à pousser cela encore plus loin, en examinant les collisions entre les photons et les noyaux », a déclaré Schenke.

Changer le projectile

On sait depuis longtemps que les collisions ultra-périphériques pourraient créer des interactions photon-noyau, en utilisant les noyaux eux-mêmes comme source de photons. En effet, les particules chargées accélérées à des énergies élevées, comme les noyaux/ions de plomb accélérés au LHC (et les ions d’or au RHIC), émettent des ondes électromagnétiques, des particules de lumière. Ainsi, chaque ion plomb accéléré au LHC est essentiellement entouré d’un nuage de photons.

« Lorsque deux de ces ions se croisent de très près sans entrer en collision, vous pouvez penser à l’un comme émettant un photon, qui frappe ensuite l’ion plomb dans l’autre sens », a déclaré Schenke. « Ces événements se produisent souvent; il est plus facile pour les ions de manquer à peine que de se frapper précisément. »

Scientifiques d’ATLAS données récemment publiées sur des signaux intrigants de type flux provenant de ces collisions photon-noyau.

« Nous avons dû mettre en place des techniques spéciales de collecte de données pour sélectionner ces collisions uniques », a déclaré Blair Seidlitz, un physicien de l’Université de Columbia qui a aidé à mettre en place le système de déclenchement ATLAS pour l’analyse lorsqu’il était étudiant diplômé à l’Université du Colorado, Boulder. . « Après avoir collecté suffisamment de données, nous avons été surpris de trouver des signaux de type flux similaires à ceux observés dans les collisions plomb-plomb et proton-plomb, bien qu’ils soient un peu plus petits. »

Schenke et ses collaborateurs ont cherché à savoir si leurs calculs théoriques pouvaient décrire avec précision les modèles de flux de particules.

Ils ont utilisé les mêmes calculs hydrodynamiques qui décrivent le comportement des particules produites dans les systèmes de collision plomb-plomb et proton-plomb. Mais ils ont fait quelques ajustements pour tenir compte du « projectile » frappant le noyau de plomb passant d’un proton à un photon.

Selon les lois de la physique (en particulier l’électrodynamique quantique), un photon peut subir des fluctuations quantiques pour devenir une autre particule avec les mêmes nombres quantiques. Un méson rho, une particule constituée d’une combinaison particulière d’un quark et d’un antiquark maintenus ensemble par des gluons, est l’un des résultats les plus probables de ces fluctuations de photons.

Si vous repensez au proton, composé de trois quarks, cette particule rho à deux quarks n’est qu’un échelon sur l’échelle de complexité.

« Au lieu d’avoir une distribution de gluons autour de trois quarks à l’intérieur d’un proton, nous avons les deux quarks (quark-antiquark) avec une distribution de gluons autour de ceux qui entrent en collision avec le noyau », a déclaré Schenke.

Comptabilité de l’énergie

Les calculs devaient également tenir compte de la grande différence d’énergie dans ces systèmes de collision photon-noyau, par rapport à proton-plomb et surtout plomb-plomb.

« Le photon émis qui entre en collision avec le plomb ne portera pas tout l’élan du noyau de plomb dont il provient, mais seulement une infime fraction de celui-ci. Ainsi, l’énergie de collision sera beaucoup plus faible », a déclaré Schenke.

Cette différence d’énergie s’est avérée encore plus importante que le changement de projectile.

Dans les collisions d’ions lourds plomb-plomb ou or-or les plus énergétiques, le motif de particules émergeant dans le plan transversal aux faisceaux en collision persiste généralement, quelle que soit la distance à laquelle vous regardez du point de collision le long de la ligne de faisceau (dans le sens longitudinal). Mais lorsque Schenke et ses collaborateurs ont modélisé les modèles de particules qui devraient émerger des collisions photon-plomb à faible énergie, il est devenu évident que l’inclusion des détails 3D de la direction longitudinale faisait une différence. Le modèle a montré que la géométrie des distributions de particules change rapidement avec l’augmentation de la distance longitudinale ; les particules deviennent « décorrélées ».

« Les particules voient différents gradients de pression en fonction de leur position longitudinale », a expliqué Schenke.

« Ainsi, pour ces collisions photon-plomb à faible énergie, il est important d’exécuter un modèle hydrodynamique 3D complet (qui est plus exigeant en termes de calcul) car la distribution des particules change plus rapidement lorsque vous sortez dans la direction longitudinale », a-t-il déclaré.

Lorsque les théoriciens ont comparé leurs prédictions à l’aide de ce modèle hydrodynamique 3D complet à faible énergie avec les modèles d’écoulement de particules observés dans les collisions photon-plomb par le détecteur ATLAS, les données et la théorie correspondaient parfaitement, du moins pour le modèle d’écoulement elliptique le plus évident. , a déclaré Schenke.

Implications et avenir

« D’après ce résultat, il semble concevable que même dans les collisions d’ions lourds en photons, nous ayons un fluide à forte interaction qui répond à la géométrie de collision initiale, telle que décrite par l’hydrodynamique », a déclaré Schenke. « Si les énergies et les températures sont suffisamment élevées », a-t-il ajouté, « il y aura un plasma quark-gluon ».

Seidlitz, le physicien d’ATLAS, a commenté : « Il était très intéressant de voir ces résultats suggérant la formation d’une petite gouttelette de plasma quark-gluon, ainsi que la façon dont cette analyse théorique offre des explications concrètes sur la raison pour laquelle les signatures de flux sont un peu plus petites. dans les collisions photon-plomb. »

Des données supplémentaires qui seront collectées par ATLAS et d’autres expériences au RHIC et au LHC au cours des prochaines années permettront des analyses plus détaillées des particules issues des collisions photon-noyau. Ces analyses aideront à distinguer le calcul hydrodynamique d’une autre explication possible, dans laquelle les schémas d’écoulement ne résultent pas de la réponse du système à la géométrie initiale.

À plus long terme, des expériences dans un collisionneur électron-ion (EIC), une installation prévue pour remplacer le RHIC au cours de la prochaine décennie à Brookhaven Lab, pourraient fournir des conclusions plus définitives.