Un calcul montre pourquoi les quarks lourds sont pris dans le flux

La réponse, il s’avère, est très rapide. Comme décrit dans un article qui vient d’être publié dans Lettres d’examen physique, le transfert de quantité de mouvement des quarks et gluons “libérés” vers les quarks plus lourds se produit à la limite de ce que la mécanique quantique permet. Ces quarks et gluons ont tellement d’interactions fortes à courte portée avec les quarks plus lourds qu’ils entraînent les particules semblables à des « rochers » avec leur flux.

Le travail a été dirigé par Peter Petreczky et Swagato Mukherjee du groupe de théorie nucléaire du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie, et comprenait des théoriciens des universités de Bielefeld, Ratisbonne et Darmstadt en Allemagne, et de l’Université de Stavanger en Norvège.

Le calcul aidera à expliquer les résultats expérimentaux montrant que les quarks lourds sont pris dans le flux de matière généré lors de collisions d’ions lourds au collisionneur relativiste d’ions lourds (RHIC) à Brookhaven et au grand collisionneur de hadrons (LHC) au laboratoire européen du CERN. La nouvelle analyse ajoute également des preuves corroborantes que cette matière, connue sous le nom de “plasma quark-gluon” (QGP), est un liquide presque parfait, avec une viscosité si faible qu’elle se rapproche également de la limite quantique.

“Au départ, voir des quarks lourds circuler avec le QGP au RHIC et au LHC était très surprenant”, a déclaré Petreczky. “Ce serait comme voir un gros rocher traîné avec l’eau d’un ruisseau. Habituellement, l’eau coule mais le rocher reste.”

Le nouveau calcul révèle pourquoi cette image surprenante a du sens quand on pense à la viscosité extrêmement faible du QGP.

Écoulement sans frottement

La faible viscosité de la matière générée dans les collisions d’ions d’or du RHIC, signalée pour la première fois en 2005, a été une motivation majeure pour le nouveau calcul, a déclaré Petreczky. Lorsque ces collisions font fondre les limites des protons et des neutrons individuels pour libérer les quarks et les gluons internes, le fait que le QGP qui en résulte s’écoule pratiquement sans résistance est la preuve qu’il existe de nombreuses interactions fortes entre les quarks et les gluons dans la soupe de quarks chauds.

“La faible viscosité implique que le” libre parcours moyen “entre les quarks et les gluons” fondus “dans le QGP chaud et dense est extrêmement petit”, a déclaré Mukherjee, expliquant que le libre parcours moyen est la distance qu’une particule peut parcourir avant d’interagir avec une autre particule.

“Si vous pensez essayer de traverser une foule, c’est la distance typique que vous pouvez parcourir avant de heurter quelqu’un ou de devoir changer de cap”, a-t-il déclaré.

Avec un libre parcours moyen court, les quarks et les gluons interagissent fréquemment et fortement. Les collisions dissipent et distribuent l’énergie des particules en mouvement rapide et le QGP à forte interaction présente un comportement collectif, y compris un écoulement presque sans frottement.

“Il est beaucoup plus difficile de modifier la quantité de mouvement d’un quark lourd parce que c’est comme un train – difficile à arrêter”, a noté Mukherjee. “Il devrait subir de nombreuses collisions pour être entraîné avec le plasma.”

Mais si le QGP est effectivement un fluide parfait, le libre parcours moyen des interactions des quarks lourds devrait être suffisamment court pour rendre cela possible. Le calcul du coefficient de diffusion des quarks lourds – qui est proportionnel à la force avec laquelle les quarks lourds interagissent avec le plasma – était un moyen de vérifier cette compréhension.

Écraser les chiffres

Les calculs nécessaires pour résoudre les équations de la chromodynamique quantique (QCD) – la théorie qui décrit les interactions quarks et gluons – sont mathématiquement complexes. Plusieurs avancées théoriques et de puissants supercalculateurs ont contribué à ouvrir la voie au nouveau calcul.

“En 2010/11, nous avons commencé à utiliser un raccourci mathématique, qui supposait que le plasma était composé uniquement de gluons, pas de quarks”, a déclaré Olaf Kaczmarek de l’Université de Bielefeld, qui a dirigé la partie allemande de cet effort. Le fait de ne penser qu’aux gluons a aidé l’équipe à élaborer sa méthode utilisant la CDQ sur réseau. Dans cette méthode, les scientifiques exécutent des simulations d’interactions de particules sur un réseau espace-temps quadridimensionnel discrétisé. Essentiellement, ils “placent” les particules sur des positions discrètes sur une grille 3D imaginaire pour modéliser leurs interactions avec les particules voisines et voir comment ces interactions changent au fil du temps (les 4^e dimension). Ils utilisent de nombreux arrangements de départ différents et incluent des distances variables entre les particules.

Après avoir élaboré la méthode avec uniquement des gluons, ils ont compris comment ajouter la complexité des quarks.

Les scientifiques ont chargé un grand nombre de configurations d’échantillons de quarks et de gluons sur le réseau 4D et ont utilisé des méthodes de Monte Carlo – échantillonnage aléatoire répété – pour essayer de trouver la distribution la plus probable des quarks et des gluons dans le réseau.

“En faisant la moyenne de ces configurations, vous obtenez une fonction de corrélation liée au coefficient de diffusion des quarks lourds”, a déclaré Luis Altenkort, un étudiant diplômé de l’Université de Bielefeld qui a également travaillé sur cette recherche au Brookhaven Lab.

Par analogie, pensez à estimer la pression de l’air dans une pièce en échantillonnant les positions et le mouvement des molécules. “Vous essayez d’utiliser les distributions de molécules les plus probables en fonction d’une autre variable, telle que la température, et d’exclure les configurations improbables, telles que toutes les molécules d’air regroupées dans un coin de la pièce”, a déclaré Altenkort.

Dans le cas du QGP, les scientifiques essayaient de simuler un système thermalisé – où même sur l’échelle de temps d’une infime fraction de seconde des collisions de particules d’ions lourds, les quarks et les gluons atteignent une certaine température d’équilibre.

Ils ont simulé le QGP à une plage de températures fixes et calculé le coefficient de diffusion des quarks lourds pour chaque température afin de cartographier la dépendance à la température de la force d’interaction des quarks lourds (et le libre parcours moyen de ces interactions).

“Ces calculs exigeants n’ont été possibles qu’en utilisant certains des supercalculateurs les plus puissants au monde”, a déclaré Kaczmarek. Les ressources informatiques comprenaient Perlmutter au National Energy Research for Scientific Computing Center (NERSC), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE située au Lawrence Berkeley National Laboratory ; Juwels Booster au Juelich Research Center en Allemagne ; Marconi à CINECA en Italie ; et des clusters GPU QCD à treillis dédiés au Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) et à l’Université de Bielefeld.

Comme l’a noté Mukherjee, “Ces machines puissantes ne font pas que le travail pour nous pendant que nous nous asseyons et nous détendons ; il a fallu des années de travail acharné pour développer les codes qui peuvent extraire les performances les plus efficaces de ces superordinateurs pour effectuer nos calculs complexes. .”

Les codes ont été développés dans le cadre d’un effort de collaboration plus large connu sous le nom de Physique nucléaire fondamentale à l’échelle exascale et au-delà, qui est financé conjointement par le Bureau des sciences du DOE, le Bureau de la recherche en calcul scientifique avancé et le Bureau de la physique nucléaire par le biais de la découverte scientifique par le biais de la recherche avancée. Programme informatique (SciDAC).

Thermalisation rapide, interactions à courte portée

Les calculs montrent que le coefficient de diffusion du quark lourd est le plus élevé juste à la température à laquelle le QGP se forme, puis diminue avec l’augmentation des températures. Ce résultat implique que le QGP s’équilibre extrêmement rapidement.

“Vous commencez avec deux noyaux, avec pratiquement aucune température, puis vous les heurtez et en moins d’un quadrillionième de seconde, vous obtenez un système thermique”, a déclaré Petreczky. Même les quarks lourds sont thermalisés.

Pour que cela se produise, les quarks lourds doivent subir très rapidement de nombreuses diffusions avec d’autres particules, ce qui implique que le libre parcours moyen de ces interactions doit être très petit. En effet, les calculs montrent qu’au passage au QGP, le libre parcours moyen des interactions des quarks lourds est très proche de la plus courte distance admissible. Cette soi-disant limite quantique est établie par l’incertitude inhérente à la connaissance simultanée de la position et de l’impulsion d’une particule.

Cette “mesure” indépendante fournit des preuves corroborantes de la faible viscosité du QGP, confirmant l’image de sa fluidité parfaite, selon les scientifiques.

“Plus le libre parcours moyen est court, plus la viscosité est faible et plus la thermalisation est rapide”, a déclaré Petreczky.

Simulation de collisions réelles

Maintenant que les scientifiques savent comment les interactions des quarks lourds avec le QGP varient avec la température, ils peuvent utiliser ces informations pour améliorer leur compréhension de l’évolution des systèmes de collision d’ions lourds.

“Mes collègues essaient de développer des simulations plus précises de la façon dont les interactions du QGP affectent le mouvement des quarks lourds”, a déclaré Petreczky. “Pour ce faire, ils doivent prendre en compte les effets dynamiques de la façon dont le QGP se dilate et se refroidit – toutes les étapes compliquées des collisions.”

“Maintenant que nous savons comment le coefficient de diffusion du quark lourd change avec la température, ils peuvent prendre ce paramètre et le brancher dans leurs simulations de ce processus compliqué et voir ce qui doit être changé pour rendre ces simulations compatibles avec les données expérimentales du RHIC et le LHC.”

Cet effort fait l’objet d’une collaboration majeure connue sous le nom de Heavy-Flavor Theory (HEFTY) pour QCD Matter Topical Theory Collaboration.

“Nous serons en mesure de mieux modéliser le mouvement des quarks lourds dans le QGP, puis d’avoir une meilleure théorie pour comparer les données”, a déclaré Petreczky.

Le travail a été financé par le DOE Office of Science, Office of Nuclear Physics et par d’autres bailleurs de fonds pour les collaborateurs individuels répertoriés dans l’article scientifique.