Premières mesures du flux d’hypernoyaux au collisionneur relativiste d’ions lourds

Les physiciens qui étudient les collisions de particules au collisionneur relativiste d’ions lourds (RHIC) ont publié la première observation d’un flux dirigé d’hypernoyaux. Ces noyaux rares et à courte durée de vie contiennent au moins un « hypéron » en plus des protons et des neutrons ordinaires.

Les hypérons contiennent au moins un quark « étrange » à la place de l’un des quarks up ou down qui composent les nucléons ordinaires (le nom collectif des protons et des neutrons). On pense que cette matière étrange est abondante au cœur des étoiles à neutrons, qui comptent parmi les objets les plus denses et les plus exotiques de l’univers. Alors que décoller vers des étoiles à neutrons pour étudier cette matière exotique relève encore de la science-fiction, les collisions de particules pourraient donner aux scientifiques un aperçu de ces objets célestes depuis un laboratoire ici même sur Terre.

« Les conditions dans une étoile à neutrons sont peut-être encore loin de ce que nous atteignons en ce moment en laboratoire, mais à ce stade, c’est ce que nous pouvons obtenir de plus proche », a déclaré Xin Dong, physicien du Lawrence Berkeley National Laboratory du Département américain de l’énergie. (LBNL) qui a participé à l’étude. « En comparant nos données de cet environnement de laboratoire à nos théories, nous pouvons essayer de déduire ce qui se passe dans l’étoile à neutrons. »

Les scientifiques ont utilisé le détecteur STAR du RHIC, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire national de Brookhaven, pour étudier les schémas d’écoulement des débris émis par les collisions de noyaux d’or. Ces schémas sont déclenchés par les énormes gradients de pression générés lors des collisions. En comparant le flux d’hypernoyaux avec celui de noyaux ordinaires similaires constitués uniquement de nucléons, ils espéraient mieux comprendre les interactions entre les hyperons et les nucléons.

« Dans notre monde normal, les interactions nucléon-nucléon forment des noyaux atomiques normaux. Mais lorsque nous entrons dans une étoile à neutrons, les interactions hyperon-nucléon – dont nous ne savons pas encore grand-chose – deviennent très pertinentes pour comprendre la structure », a déclaré Yapeng. Zhang, un autre membre de STAR de l’Institut de physique moderne de l’Académie chinoise des sciences, qui a dirigé l’analyse des données avec son étudiant Chenlu Hu. Le suivi de la circulation des hypernoyaux devrait donner aux scientifiques un aperçu des interactions hyperon-nucléon qui forment ces particules exotiques.

Les données, qui viennent d’être publiées dans Lettres d’examen physiquefournira des informations quantitatives que les théoriciens pourront utiliser pour affiner leurs descriptions des interactions hyperon-nucléon qui entraînent la formation d’hypernoyaux et la structure à grande échelle des étoiles à neutrons.

« Il n’y a pas de calculs solides pour vraiment établir ces interactions hyperon-nucléon », a déclaré Zhang. « Cette mesure peut potentiellement contraindre les théories et fournir une entrée variable pour les calculs. »

Suivez le courant

Des expériences antérieures ont montré que les schémas de flux des noyaux réguliers évoluent généralement avec la masse, ce qui signifie que plus un noyau contient de protons et de neutrons, plus les noyaux présentent un flux collectif dans une direction particulière. Cela indique que ces noyaux héritent leur flux de leurs protons et neutrons constitutifs, qui fusionnent ou se rassemblent en raison de leurs interactions, qui sont régies par la force nucléaire forte.

Les résultats STAR rapportés dans cet article montrent que les hypernoyaux suivent ce même modèle d’échelle de masse. Cela signifie que les hypernoyaux se forment très probablement via le même mécanisme.

« Dans le mécanisme de coalescence, les noyaux (et les hypernoyaux) se forment de cette manière en fonction de la force des interactions entre les composants individuels », a déclaré Dong. « Ce mécanisme nous donne des informations sur l’interaction entre les nucléons (dans les noyaux) et les nucléons et les hyperons dans les hypernoyaux. »

Selon les scientifiques, voir des modèles de flux similaires et la relation d’échelle de masse pour les noyaux normaux et les hypernoyaux implique que les interactions nucléon-nucléon et hyperon-nucléon sont très similaires.

Les modèles d’écoulement transmettent également des informations sur la matière générée dans les écrasements de particules, y compris sa chaleur et sa densité et d’autres propriétés.

« Le gradient de pression créé lors de la collision induira une certaine asymétrie dans la direction des particules sortantes. Ainsi, ce que nous observons, le flux, reflète la façon dont le gradient de pression est créé à l’intérieur de la matière nucléaire », a déclaré Zhang.

« Le flux mesuré d’hypernoyaux peut ouvrir une nouvelle porte pour étudier les interactions hyperon-nucléon sous une pression finie à haute densité de baryons. »

Les scientifiques utiliseront des mesures supplémentaires de la façon dont les hypernoyaux interagissent avec ce milieu pour en savoir plus sur ses propriétés.

Les avantages de la basse consommation

Cette recherche n’aurait pas été possible sans la polyvalence du RHIC pour fonctionner sur une si large gamme d’énergies de collision. Les mesures ont été effectuées au cours de la phase I du RHIC Beam Energy Scan, une étude systématique des collisions or-or allant de 200 GeV par paire de particules en collision jusqu’à 3 GeV.

Pour atteindre cette énergie la plus basse, le RHIC a fonctionné en mode « cible fixe »: un faisceau d’ions d’or voyageant autour du collisionneur RHIC de 2,4 milles de circonférence s’est écrasé sur une feuille d’or placée à l’intérieur du détecteur STAR. Cette faible énergie permet aux scientifiques d’accéder à la « densité baryonique » la plus élevée, une mesure liée à la pression générée lors des collisions.

« A cette énergie de collision la plus basse, où la matière créée lors de la collision est très dense, les noyaux et les hypernoyaux sont produits plus abondamment qu’à des énergies de collision plus élevées », a déclaré Yue-Hang Leung, chercheur postdoctoral à l’Université de Heidelberg, en Allemagne. « Les collisions à basse énergie sont les seules à produire suffisamment de ces particules pour nous donner les statistiques dont nous avons besoin pour faire l’analyse. Personne d’autre n’a jamais fait cela auparavant. »

Quel est le lien entre ce que les scientifiques ont appris au RHIC et les étoiles à neutrons ?

Le fait que les hypernoyaux semblent se former par coalescence tout comme les noyaux ordinaires implique qu’ils sont, comme ces noyaux ordinaires, créés à un stade tardif de l’évolution du système de collision.

« A ce stade tardif, la densité de l’interaction hyperon-nucléon que nous voyons n’est pas si élevée », a déclaré Dong. « Ainsi, ces expériences ne simulent peut-être pas directement l’environnement d’une étoile à neutrons. »

Mais, a-t-il ajouté, « Ces données sont récentes. Nous avons besoin que nos amis théoriciens interviennent. Et ils doivent inclure ces nouvelles données sur les interactions hyperon-nucléon lorsqu’ils construisent un nouveau modèle d’étoile à neutrons. Nous avons besoin à la fois d’expérimentateurs et de nos théoriciens ». efforts pour travailler à la compréhension de ces données et à l’établissement de ces liens. »