Les physiciens suivent la « fusion » séquentielle des upsilons

Les scientifiques utilisant le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) pour étudier certaines des matières les plus chaudes jamais créées dans un laboratoire ont publié leurs premières données montrant comment trois variations distinctes de particules appelées upsilons « fondent » ou se dissocient séquentiellement dans la boue chaude. Les résultats, qui viennent d’être publiés dans Lettres d’examen physiqueproviennent du détecteur STAR du RHIC, l’une des deux grandes expériences de suivi de particules de cette installation utilisateur du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE) pour la recherche en physique nucléaire.

Les données sur les upsilons ajoutent une preuve supplémentaire que les quarks et les gluons qui composent la matière chaude – connue sous le nom de plasma quark-gluon (QGP) – sont « déconfinés », ou libres de leur existence ordinaire enfermés dans d’autres particules telles que les protons et neutrons. Les résultats aideront les scientifiques à en savoir plus sur les propriétés du QGP, y compris sa température.

« En mesurant le niveau de suppression ou de dissociation de l’upsilon, nous pouvons déduire les propriétés du QGP », a déclaré Rongrong Ma, physicien au laboratoire national de Brookhaven du DOE, où se trouve le RHIC, et coordinateur de l’analyse physique pour la collaboration STAR. « Nous ne pouvons pas dire exactement quelle est la température moyenne du QGP en nous basant uniquement sur cette mesure, mais cette mesure est un élément important d’un tableau plus large. Nous allons mettre cela et d’autres mesures ensemble pour mieux comprendre cette forme unique. de la matière. »

Libérer les quarks et les gluons

Les scientifiques utilisent le RHIC, un « écraseur d’atomes » de 2,4 milles de circonférence pour créer et étudier le QGP en accélérant et en faisant entrer en collision deux faisceaux d’ions d’or – des noyaux atomiques dépouillés de leurs électrons – à des énergies très élevées. Ces collisions énergétiques peuvent faire fondre les limites des protons et des neutrons des atomes, libérant les quarks et les gluons à l’intérieur.

Une façon de confirmer que les collisions ont créé le QGP est de rechercher des preuves que les quarks et les gluons libres interagissent avec d’autres particules. Les upsilons, particules à vie courte constituées d’une paire lourde quark-antiquark (fond-antifond) liées entre elles, s’avèrent être des particules idéales pour cette tâche.

« L’upsilon est un état très fortement délimité ; il est difficile de le dissocier », a déclaré Zebo Tang, un collaborateur STAR de l’Université des sciences et technologies de Chine. « Mais lorsque vous le mettez dans un QGP, vous avez tellement de quarks et de gluons entourant à la fois le quark et l’antiquark, que toutes ces interactions environnantes entrent en concurrence avec la propre interaction quark-antiquark de l’upsilon. »

Ces interactions de « criblage » peuvent briser l’upsilon, le faisant fondre efficacement et supprimant le nombre d’upsilons que les scientifiques comptent.

« Si les quarks et les gluons étaient encore confinés dans des protons et des neutrons individuels, ils ne pourraient pas participer aux interactions concurrentes qui brisent les paires quark-antiquark », a déclaré Tang.

Avantages Upsilon

Les scientifiques ont observé une telle suppression d’autres particules quark-antiquark dans le QGP, à savoir les particules J/psi (constituées d’une paire charme-anticharm). Mais les upsilons se distinguent des particules J/psi, selon les scientifiques de STAR, pour deux raisons principales : leur incapacité à se reformer dans le QGP et le fait qu’ils se présentent sous trois types.

Avant de passer au reformage, parlons de la façon dont ces particules se forment. Les quarks et antiquarks charm et bottom sont créés très tôt dans les collisions, avant même le QGP. Au moment de l’impact, lorsque l’énergie cinétique des ions d’or en collision se dépose dans un espace minuscule, elle déclenche la création de nombreuses particules de matière et d’antimatière alors que l’énergie se transforme en masse grâce à la célèbre équation d’Einstein, E = mc2. Les quarks et les antiquarks s’associent pour former des upsilons et des particules J/psi, qui peuvent ensuite interagir avec le QGP nouvellement formé.

Mais comme il faut plus d’énergie pour fabriquer des particules plus lourdes, il y a beaucoup plus de quarks charme et anticharme plus légers que de quarks bottom et antibottom plus lourds dans la soupe de particules. Cela signifie que même après que certaines particules J/psi se soient dissociées ou « fondues » dans le QGP, d’autres peuvent continuer à se former alors que les quarks charme et anticharme se retrouvent dans le plasma. Cette reformation ne se produit que très rarement avec les upsilons en raison de la rareté relative des quarks lourds bottom et antibottom. Ainsi, une fois qu’un upsilon se dissocie, il est parti.

« Il n’y a tout simplement pas assez de quarks bottom-antibottom dans le QGP pour s’associer », a déclaré Shuai Yang, un collaborateur STAR de la South China Normal University. « Cela rend les comptes d’upsilon très propres car leur suppression n’est pas brouillée par la reformation comme le compte J/psi peut l’être. »

L’autre avantage des upsilons est que, contrairement aux particules J/psi, ils existent en trois variétés : un état fondamental étroitement lié et deux états excités différents où les paires quark-antiquark sont plus lâchement liées. La version la plus étroitement liée devrait être la plus difficile à séparer et à fondre à une température plus élevée.

« Si nous observons que les niveaux de suppression pour les trois variétés sont différents, nous pouvons peut-être établir une plage pour la température QGP », a déclaré Yang.

Première mesure

Ces résultats marquent la première fois que les scientifiques du RHIC ont pu mesurer la suppression pour chacune des trois variétés d’upsilon.

Ils ont trouvé le modèle attendu : la moindre suppression/fusion pour l’état fondamental le plus étroitement lié ; une suppression plus élevée pour l’état intermédiairement lié ; et essentiellement aucun upsilons de l’état le plus faiblement lié – ce qui signifie que tous les upsilons de ce dernier groupe peuvent avoir été fondus. (Les scientifiques notent que le niveau d’incertitude dans la mesure de cet état le plus excité et le plus faiblement lié était élevé.)

« Nous ne mesurons pas directement l’upsilon ; il se désintègre presque instantanément », a expliqué Yang. « Au lieu de cela, nous mesurons la décomposition des ‘filles’. »

L’équipe a examiné deux « canaux » de désintégration. Une voie de désintégration conduit à des paires électron-positon, captées par le calorimètre électromagnétique de STAR. L’autre voie de désintégration, vers les muons positifs et négatifs, a été suivie par le détecteur du télescope à muons de STAR.

Dans les deux cas, la reconstruction de la quantité de mouvement et de la masse des filles de désintégration établit si la paire provenait d’un upsilon. Et comme les différents types d’upsilons ont des masses différentes, les scientifiques ont pu distinguer les trois types.

« C’est le résultat le plus attendu du détecteur de télescope à muons », a déclaré Lijuan Ruan, physicien du Brookhaven Lab, co-porte-parole de STAR et responsable du projet de détecteur de télescope à muons. Ce composant a été spécifiquement proposé et construit dans le but de suivre les upsilons, avec une planification remontant à 2005, une construction commençant en 2010 et une installation complète à temps pour la course RHIC de 2014 – la source de données, avec 2016, pour ce analyse.

« C’était une mesure très difficile », a déclaré Ma. « Cet article déclare essentiellement le succès du programme de détection du télescope à muons STAR. Nous continuerons à utiliser ce composant de détecteur au cours des prochaines années pour collecter davantage de données afin de réduire nos incertitudes sur ces résultats. »

La collecte de plus de données au cours des prochaines années d’exploitation de STAR, ainsi que du tout nouveau détecteur du RHIC, sPHENIX, devrait fournir une image plus claire du QGP. sPHENIX a été construit pour suivre les upsilons et autres particules constituées de quarks lourds comme l’un de ses principaux objectifs.

« Nous attendons avec impatience la façon dont les nouvelles données à collecter au cours des prochaines années rempliront notre image du QGP », a déclaré Ma.