Les physiciens ont brisé des noyaux d’or à une vitesse proche de celle de la lumière et ont découvert un motif inattendu dans les particules projetées par ces collisions. S’il est confirmé, ce schéma pourrait aider à révéler comment la soupe chaude de quarks et de gluons qui a rempli l’univers dans les premières microsecondes après le Big Bang s’est refroidie et condensée en protons et neutrons qui constituent aujourd’hui la matière ordinaire.
Lors de chaque collision, des particules sont projetées latéralement ; la force avec laquelle ils sont projetés, en moyenne, varie légèrement d’une collision à l’autre. Les physiciens s’attendaient à ce que l’ampleur de ces variations change progressivement à mesure qu’ils ajustaient l’énergie de collision. Au lieu de cela, les variations ont diminué, diminué puis augmenté à nouveau. Cette baisse pourrait être le signe d’un « point critique » recherché depuis longtemps, un ensemble particulier de conditions dans lesquelles la matière nucléaire change la façon dont elle se transforme d’une forme à une autre.
Le signal, détecté par l’expérience STAR au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire national de Brookhaven à New York, est suffisamment fort pour qu’il soit très peu probable qu’il s’agisse d’un accident statistique. Toutefois, les chercheurs ont averti que cette baisse n’est qu’un indice alléchant et non une preuve de la transition tant recherchée. Ils ont publié leurs résultats le 22 septembre dans la revue Lettres d’examen physique.
Un livre de règles pour les matières extrêmes
Les protons et les neutrons sont constitués de particules plus petites appelées quarks, qui sont maintenues ensemble par le « force forte » portés par des particules appelées gluons. Lorsqu’ils sont suffisamment chauffés ou pressés, les protons et les neutrons fondent en une soupe chaude de quarks et de gluons libres connue sous le nom de plasma quark-gluon. On pense que cette soupe primordiale de particules rempli l’univers dans les premières millisecondes après le Big Bang.
Les physiciens veulent comprendre comment cette soupe-ification s’est produite, en mesurant ce qu’on appelle équation d’état de matière nucléaire. « Pour l’eau, cela vous indique comment la pression, la température et la densité sont liées, et donc quand elle gèle, bout ou se dilate », co-auteur de l’étude Rutik Manikandhanchercheur postdoctoral en physique à l’Ohio State University, a déclaré à Live Science dans un e-mail. Pour la matière nucléaire, « c’est le livre de règles de base pour la matière dans les conditions naturelles les plus extrêmes, comme les noyaux des étoiles à neutrons », a ajouté Manikandhan.
Le « point critique » est un point clé de ce règlement. « Pour l’eau, c’est le point où la frontière entre le liquide et la vapeur disparaît », a déclaré Manikandhan, et les théoriciens soupçonnent depuis longtemps que la matière nucléaire a un point similaire. À des températures extrêmement élevées, la matière fond doucement et progressivement en un plasma de quarks et de gluons, mais à des densités plus élevées, le changement peut devenir brutal.
Le point critique marquerait le moment où un type de transition se transforme en un autre. Certains calculs récents placent ce point à la portée des collisions à faible énergie du RHIC. « Mais tout cela reste encore des conjectures et il n’y a encore rien de concret, ni de la part des expérimentateurs ni des théoriciens », a déclaré Manikandhan.
Le travail est également important pour la cosmologie. » Parce que la matière que nous créons lors de ces collisions ressemble à la matière qui a rempli l’univers quelques microsecondes après le Big Bangcartographier son comportement nous aide à comprendre comment l’univers a évolué d’une soupe chaude de quarks et de gluons aux protons et aux neutrons qui composent tout aujourd’hui », a déclaré Manikandhan.
Une baisse où une tendance douce était attendue
Pour explorer ce territoire, les chercheurs ont exécuté le RHIC à différentes énergies de collision. Plus l’énergie était faible, plus la matière en collision était comprimée. Pour ses essais à plus basse énergie, STAR a utilisé une configuration à « cible fixe », dans laquelle un faisceau de noyaux d’or frappe « une fine feuille d’or placée à l’intérieur du détecteur », a expliqué Manikandhan, au lieu d’un deuxième faisceau venant en sens inverse. Cela produit la matière la plus dense que le RHIC puisse produire.
Les énergies de collision sont mesurées en électrons-volts (l’énergie qu’un électron gagne lorsqu’il est accéléré sur 1 volt). Il s’agit d’une quantité infime, c’est pourquoi les physiciens des particules travaillent généralement en milliards d’électrons-volts, ou gigaélectronvolts (GeV). Un GeV correspond à peu près à l’énergie contenue dans la masse d’un seul proton, selon la célèbre équation d’Einstein E = mc2. L’équipe a analysé environ 1 milliard de collisions à des énergies comprises entre 3 et 7,7 GeV par paire de protons ou de neutrons en collision. C’est le bas de la gamme du RHIC, qui atteint 200 GeV.
Dans chaque collision, l’équipe a mesuré la force avec laquelle les particules chargées étaient projetées latéralement hors de la boule de feu – une quantité connue sous le nom de moment transversal. Les chercheurs ont ensuite recherché des corrélations entre les particules. Une corrélation mesure si deux choses ont tendance à changer ensemble. Ici, l’équipe a vérifié si les paires de particules issues de la même collision avaient tendance à être toutes deux projetées plus fort que la moyenne, ou toutes deux plus doucement. Cela révèle quelque chose sur la boule de feu dans son ensemble. Si une boule de feu est légèrement plus chaude ou se dilate avec plus de force, toutes ses particules reçoivent un coup de pied latéral supplémentaire.
« Ces corrélations reflètent la fluctuation de la température et du flux de la boule de feu », a déclaré Manikandhan.
À l’approche d’un point critique, la capacité thermique de la matière – la quantité d’énergie nécessaire pour élever sa température – devrait augmenter considérablement. Cela rend la température de la boule de feu plus difficile à modifier, les corrélations devraient donc s’affaiblir. « Si la question approche d’un point critique ou d’un changement de phase, nous nous attendons à voir ces corrélations changer d’une manière inhabituelle et non fluide à mesure que nous faisons varier l’énergie de collision », a déclaré Manikandhan.
C’est ce que l’équipe a constaté lors de la plupart des collisions frontales. « Au lieu d’évoluer en douceur avec l’énergie, les corrélations montrent une baisse », a déclaré Manikandhan. Les chercheurs ont comparé les données avec une tendance régulière ancrée par des mesures STAR antérieures à des énergies plus élevées. Le creux s’écarte de cette tendance avec une signification statistique de 5 sigma, ce que demandent généralement les physiciens standards avant de traiter un signal comme réel. Cela signifie que si la véritable tendance était régulière, une dispersion aléatoire des données ne produirait une baisse aussi prononcée qu’environ une fois sur 3,5 millions d’essais.
« Une tendance douce est ce que l’on attend de la matière nucléaire ordinaire, donc une baisse suggère que quelque chose de plus intéressant se produit dans ces conditions », a déclaré Manikandhan.
En revanche, une simulation informatique largement utilisée des collisions, qui ne contient aucun point critique, a reproduit la tendance générale mais pas la baisse. Les collisions décentrées n’ont montré qu’une légère trace de la même caractéristique, qui est trop faible pour être considérée comme une preuve à elle seule.
Pas encore le dernier mot
« Le résultat est suggestif, et non la preuve d’un point critique », a déclaré Manikandhan. Des effets sans rapport avec un point critique peuvent également façonner ces fluctuations, et l’ampleur de la baisse qu’ils pourraient expliquer reste incertaine, ont noté les chercheurs.
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Néanmoins, cette baisse « indique un ensemble de conditions dans lesquelles le comportement de la matière nucléaire change, et elle donne aux théoriciens une nouvelle mesure précise pour tester leurs calculs », a déclaré Manikandhan.
Ensuite, l’équipe prévoit d’utiliser les corrélations pour « extraire la chaleur spécifique de la matière chaude », a déclaré Manikandhan. Ils le compareront ensuite avec des simulations sur superordinateur qui calculent le comportement des quarks et des gluons à partir des premiers principes.
Les chercheurs prévoient également de tester la baisse par rapport à des modèles plus théoriques et de la combiner avec d’autres mesures, telles que les fluctuations du nombre de protons produits lors des collisions. « Ce n’est que lorsque différentes mesures concordent que nous pouvons dire avec certitude s’il existe un point critique », a déclaré Manikandhan.
