Suppression d’un signe révélateur d’interactions quark-gluon présenté comme une preuve de diffusions multiples et de recombinaison de gluons dans des parois denses de gluons


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  • Les physiciens nucléaires qui étudient les collisions de particules au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie au Laboratoire national de Brookhaven du DOE – ont de nouvelles preuves que des particules appelées gluons atteignent un état « saturé » stable à l’intérieur de la vitesse ions. La preuve en est la suppression des paires de particules dos à dos émergeant des collisions entre les protons et les ions plus lourds (les noyaux des atomes), comme le détecte le détecteur STAR du RHIC. Dans un article qui vient d’être publié dans Lettres d’examen physiquela collaboration STAR montre que plus le noyau avec lequel le proton entre en collision est gros, plus la suppression de cette signature clé est importante, comme le prédisent les modèles théoriques de saturation des gluons.

    « Nous avons varié les espèces du faisceau d’ions en collision parce que les théoriciens avaient prédit que ce signe de saturation serait plus facile à observer dans les noyaux plus lourds », a expliqué le physicien du Brookhaven Lab Xiaoxuan Chu, membre de la collaboration STAR qui a dirigé l’analyse. « La bonne chose est que le RHIC, le collisionneur le plus flexible au monde, peut accélérer différentes espèces de faisceaux d’ions. Dans notre analyse, nous avons utilisé des collisions de protons avec d’autres protons, de l’aluminium et de l’or. »

    La saturation devrait être plus facile à voir dans l’aluminium, et encore plus facile dans l’or, par rapport aux protons plus simples, a expliqué Chu, car ces noyaux plus gros ont plus de protons et de neutrons, chacun composé de quarks et de gluons.

    Des expériences antérieures ont montré que lorsque les ions sont accélérés à des énergies élevées, les gluons se divisent, un en deux, pour se multiplier en très grands nombres. Mais les scientifiques soupçonnent que la multiplication des gluons ne peut pas durer éternellement. Au lieu de cela, dans les noyaux se déplaçant près de la vitesse de la lumière, où le mouvement relativiste aplatit les noyaux en « crêpes » de gluons rapides, les gluons qui se chevauchent devraient commencer à se recombiner.

    « Si le taux de recombinaison de deux gluons en un seul équilibre le taux de séparation des gluons simples, la densité de gluons atteint un état stable, ou plateau, où elle ne monte ni ne descend. C’est la saturation », a déclaré Chu. « Parce qu’il y a plus de gluons et plus de gluons qui se chevauchent dans les noyaux plus gros, ces ions plus gros devraient montrer des signes de recombinaison et de saturation plus facilement que les plus petits », a-t-elle ajouté.

    Recherche de paires dos à dos

    Pour rechercher ces signes, les scientifiques de STAR ont scanné les données collectées en 2015 pour les collisions où une paire de particules « pi zéro » a frappé le spectromètre à mésons avant de STAR dans une configuration dos à dos. Dans ce cas, dos à dos signifie à 180 degrés l’un de l’autre autour d’une cible circulaire à l’extrémité du détecteur dans la direction avant du faisceau de protons de sondage. Ces collisions sélectionnent les interactions entre un seul quark de haute énergie du proton de sondage et un seul gluon de faible impulsion dans l’ion cible (proton, aluminium ou or).

    « Nous utilisons le quark du proton comme un outil, ou une sonde, pour étudier le gluon à l’intérieur de l’autre ion », a déclaré Chu.

    L’équipe s’est particulièrement intéressée aux gluons à « faible fraction d’impulsion » – la multitude de gluons qui transportent chacun une infime fraction de l’impulsion globale du noyau. Des expériences à l’accélérateur HERA en Allemagne (1992-2007) ont montré qu’à haute énergie, les protons et tous les noyaux sont dominés par ces gluons à faible fraction d’impulsion.

    Dans les collisions proton-proton, les interactions quark-gluon sont très simples, a expliqué Chu. « Les deux particules – quark et gluon – se heurtent et génèrent deux particules pi zéro dos à dos », a-t-elle déclaré.

    Mais lorsqu’un quark du proton frappe un gluon dans un noyau aplati plus grand, où de nombreux gluons se chevauchent, les interactions peuvent être plus complexes. Le quark – ou le gluon frappé – pourrait frapper plusieurs gluons supplémentaires. Ou le gluon pourrait se recombiner avec un autre gluon, perdant toute « mémoire » de sa tendance originelle à émettre un pi zéro.

    Les deux processus – diffusions multiples et recombinaison de gluons – devraient « barbouiller » le signal pi zéro dos à dos, a expliqué Elke Aschenauer, chef du groupe expérimental « Cold QCD » du Brookhaven Lab, qui explore les détails de la chromodynamique quantique (QCD) , la théorie régissant les interactions des quarks et des gluons dans les protons et les noyaux.

    « Ainsi, les collisions proton-proton nous donnent une base », a déclaré Chu. « Dans ces collisions, nous n’avons pas de saturation car il n’y a pas assez de gluons et pas assez de chevauchement. Pour rechercher la saturation, nous comparons l’observable de la corrélation à deux particules dans les trois systèmes de collision. »

    Les résultats correspondent à la prédiction de la théorie

    Les résultats sont sortis exactement comme les théories l’avaient prédit, les physiciens observant le moins de particules corrélées dos à dos frappant le détecteur dans les collisions proton-or, un niveau intermédiaire dans les collisions proton-aluminium et la corrélation la plus élevée dans le proton de base. – collisions de protons.

    La suppression de la corrélation pi zéro dans les noyaux plus gros, et le fait que la suppression devient plus forte à mesure que le noyau grossit, sont des preuves claires, selon les scientifiques, de la recombinaison des gluons nécessaire pour atteindre la saturation en gluons.

    « STAR poursuivra ces mesures en collectant des données supplémentaires en 2024 à l’aide de composants de détecteurs avancés récemment mis à niveau, en suivant d’autres observables qui devraient également être sensibles à la saturation », a expliqué le physicien du Brookhaven Lab Akio Ogawa, membre de la collaboration STAR et un acteur clé dans la construction des nouveaux systèmes de détection avant STAR.

    Ensemble, les résultats du RHIC constitueront également une base importante pour des mesures très similaires au futur collisionneur électron-ion (EIC), en cours de construction à Brookhaven pour faire entrer en collision des électrons avec des ions.

    Selon Aschenauer, l’un des physiciens exposant les plans de recherche de cette installation, « Si nous mesurons cela maintenant au RHIC, à une énergie de collision de 200 milliards d’électronvolts (GeV), c’est très similaire à l’énergie de collision que nous allons obtenir à l’EIC. Cela signifie que nous pouvons utiliser la même observable à l’EIC pour tester si la recombinaison et la saturation sont des propriétés universelles des noyaux, comme prédit par les modèles de saturation.

    Voir le même résultat dans les deux installations « prouverait que ces propriétés ne dépendent pas de la structure et du type de sonde que nous utilisons pour les étudier », a-t-elle déclaré.

    Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science (NP), la National Science Foundation et une série d’agences internationales énoncées dans l’article publié. L’équipe STAR a utilisé les ressources informatiques du RHIC et de l’ATLAS Computing Facility/Scientific Data and Computing Center du Brookhaven Lab, du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) — une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory — et le consortium Open Science Grid.

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