Sur la base d’une expérience au CERN, une collaboration dirigée par l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague peut prédire des changements jusqu’ici inexplorés dans la forme des noyaux.
La collaboration entre l’Institut Niels Bohr (NBI) et un groupe théorique de l’Université de Pékin a ouvert la porte à de nouvelles connaissances sur le noyau atomique d’un point de vue inattendu.
Il s’avère que l’évolution des collisions entre noyaux les plus violentes, telles qu’étudiées au Grand collisionneur de hadrons du CERN, dépend des conditions initiales, à savoir la géométrie et la forme des noyaux en collision, qui sont dans leur état fondamental. Plus surprenant encore, cette découverte nous permet également de déterminer les propriétés des noyaux en collision qui ne peuvent pas être facilement étudiées par d’autres méthodes.
Les chercheurs ont prédit comment les changements de forme et les fluctuations des noyaux en collision influenceront l’issue de conditions extrêmes de haute énergie. Cela ouvre la voie à des études ultérieures qui permettront de mieux comprendre le comportement dynamique des noyaux. Un article sur les résultats a été publié dans Lettres d’examen physique.
Les prédictions sont théoriques mais basées sur une expérience menée au premier centre de recherche en physique au monde, le CERN, en Suisse.
« La recherche représente une avancée significative dans la compréhension de la structure nucléaire, en mettant en lumière la manière dont les formes internes des noyaux peuvent évoluer », déclare You Zhou, professeur agrégé au NBI. Il a dirigé le projet, qui était une collaboration entre NBI et le groupe du professeur Huichao Song, Université de Pékin, Chine.
En forme de ballon de football américain
Les noyaux des différentes espèces d’atomes ont des formes différentes, de rondes à ovales. Pour leurs investigations, Zhou et ses collègues se sont concentrés sur le Xénon, qui a une forme ovale, ressemblant à un ballon de football américain.
De plus, le xénon est l’un des nombreux atomes qui peuvent présenter diverses configurations – sphériques, allongées ou aplaties – et alterneront entre celles-ci en fonction de l’équilibre précis des forces en jeu à l’intérieur du noyau atomique.
De tels changements, appelés transitions de forme nucléaire, sont non seulement essentiels à la stabilité des éléments, mais révèlent également une compréhension plus approfondie de la nature des fortes interactions entre protons et neutrons.
Au cours d’une expérience de huit heures, des atomes de xénon sont entrés en collision dans l’accélérateur de particules le plus puissant au monde, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Cela accélère les noyaux de xénon jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière.
Lorsque les noyaux entrent en collision, la température peut être élevée jusqu’à environ 5 000 milliards de degrés Celsius, ce qui permet aux composants c du noyau (protons et neutrons) de se décomposer en constituants plus petits, quarks et gluons, formant ce qu’on appelle le plasma quark-gluon. , QGP pour faire court.
Une découverte très surprenante
Les températures extrêmement élevées ne peuvent durer que très peu de temps. Les conditions d’intérêt existent depuis moins de 10 à 24 secondes. C’est beaucoup plus court que ce que n’importe quelle mesure peut gérer.
« Par conséquent, nous ne pouvons pas suivre les étapes individuelles résultant de la collision des atomes. Nous devons examiner les produits résultants et reconstruire les processus pour correspondre aux résultats », explique le professeur Jens Jørgen Gaardhøje, NBI.
C’est le travail laborieux d’interprétation des données expérimentales qui a fourni de nouvelles informations, explique You Zhou. « Les données résultantes ne pourraient être expliquées que si nous supposons que les noyaux du xénon ont une forme semblable à celle du football américain. Ceci est cohérent avec ce que les gens ont appris dans le passé, mais reste surprenant puisque l’énergie dans cette étude est un million de fois plus élevée que dans expériences antérieures.
« L’hypothèse générale a toujours été que le résultat des collisions à très haute énergie effacerait toute identité particulière des noyaux en collision et que la géométrie originale pourrait ne pas jouer un rôle significatif pour les produits résultants. »
Un liquide parfait a rempli l’univers du nourrisson
Comme c’est souvent le cas en recherche fondamentale, ce résultat surprenant constitue un avantage supplémentaire. L’objectif principal de l’expérience sur les collisions nucléaires à haute énergie n’était pas d’étudier les transitions de forme nucléaire mais plutôt de mieux comprendre le jeune univers. La température extrêmement élevée pouvant être obtenue grâce au LHC correspond aux conditions qui existaient à peine un millionième de seconde après le Big Bang et avant.
« D’après nos précédentes mesures au LHC, à ce niveau d’énergie très élevé, le plasma quark-gluon est un liquide de très faible viscosité. C’est ce que nous appelons un liquide parfait », rapporte You Zhou, qui poursuit : « L’expérience a été conçue pour étudiez comment la viscosité du plasma change à mesure que le système évolue.
Une méthodologie intelligente a permis
Avec 129 nucléons (54 protons et 75 neutrons), le Xénon est un gros atome. Lorsque deux atomes de xénon entrent en collision frontale dans le LHC, jusqu’à 30 000 particules plus petites – principalement des quarks et des gluons et leurs antiparticules – se forment. Calculer les propriétés et les corrélations d’un si grand nombre de particules est impossible, même avec les meilleurs supercalculateurs.
« On pensait que la corrélation de trois particules suffirait pour sonder la structure triaxiale du Xénon. Cependant, les résultats se sont révélés trop grossiers et nous avons décidé d’étendre les échantillons à six particules pour examiner si le Xénon avait une structure triaxiale fixe ou sa forme. est en train de changer », déclare You Zhou.
Passer de trois à six particules n’a pas été une décision facile, car la quantité de calcul augmente de façon exponentielle avec chaque particule ajoutée.
« Heureusement, nous avons pu développer un algorithme qui nous permet d’effectuer les calculs de manière très efficace. Nous pouvons donc nous en sortir sans recourir au supercalculateur. À notre connaissance, nous sommes l’un des très rares groupes au monde à pouvoir le faire. Cela ouvre la voie non seulement à des études beaucoup plus sophistiquées sur les propriétés du plasma quark-gluon, mais également sur les conditions initiales et leur évolution au cours du processus d’expansion », note Jens Jørgen Gaardhøje.
Le groupe espère obtenir du temps au LHC pour une expérience de suivi à l’été 2025.
Plus d’informations :
Shujun Zhao et al, Exploration de la transition de phase de forme nucléaire dans les collisions ultrarelativistes 129Xe+129Xe au LHC, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.192301. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2403.07441