Les résultats pourraient indiquer une influence jusque-là inconnue de la force forte – et un moyen de mesurer ses fluctuations locales –


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  • Étant donné le choix de trois orientations de « spin » différentes, certaines particules issues de collisions au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un atomiseur du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE), semblent avoir une préférence. Comme décrit dans un article qui vient d’être publié dans La nature par la collaboration STAR du RHIC, les résultats révèlent une préférence dans l’alignement global du spin des particules appelées mésons phi. Les mécanismes conventionnels – tels que l’intensité du champ magnétique ou le tourbillon de la matière générée lors des collisions de particules – ne peuvent pas expliquer les données. Mais un nouveau modèle qui inclut les fluctuations locales de la force nucléaire forte le peut.

    « Il se pourrait que les fortes fluctuations de force soient le facteur manquant. Auparavant, nous n’avions pas réalisé que la force forte pouvait influencer le spin des particules de cette manière », a déclaré Aihong Tang, un physicien STAR à Brookhaven qui a participé à l’analyse.

    Cette explication est encore sujette à débat et des vérifications supplémentaires sont nécessaires, selon les physiciens du STAR. Mais si cela s’avère vrai, « ces mesures nous donnent un moyen d’évaluer l’ampleur des fluctuations locales de la force forte. Elles offrent une nouvelle voie pour étudier la force forte sous un angle différent », a déclaré Tang.

    Libérer la force forte

    Comme son nom l’indique, la force forte est la plus puissante des quatre forces fondamentales de la nature. C’est ce qui maintient ensemble les éléments constitutifs des atomes – les protons et les neutrons qui composent les noyaux atomiques, ainsi que leur blocs de construction internes, quarks et gluons.

    Le RHIC, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE pour la recherche en physique nucléaire, a été construit en grande partie pour que les scientifiques puissent étudier cette force. Pour ce faire, ils écrasent ensemble les noyaux d’atomes lourds qui tournent autour des anneaux d’accélérateur jumeaux du RHIC dans des directions opposées à une vitesse proche de celle de la lumière. Les collisions frontales « font fondre » les limites des protons et des neutrons individuels, libérant les quarks et les gluons normalement confinés à l’intérieur pour créer un plasma quark-gluon (QGP). STAR prend des instantanés et collecte des données détaillées sur les particules émergeant de ces collisions afin que les scientifiques puissent découvrir comment les quarks et les gluons interagissent.

    Déchiffrer les alignements de spin

    Des mesures antérieures de STAR ont révélé que lorsque les noyaux d’or entrent en collision de manière quelque peu décentrée, l’impact de l’éclat fait tourner la soupe chaude de quarks et de gluons. Les scientifiques ont mesuré la « vorticité » du plasma tourbillonnant quark-gluon en suivant son influence sur les spins de certaines particules émergeant des collisions.

    Vous pouvez considérer le spin comme similaire à la rotation d’une planète comme la Terre, avec des pôles nord et sud. Pour les particules de cette étude antérieure (hypérons lambda), le degré d’alignement de leurs axes de rotation avec le moment cinétique généré lors de chaque collision décentrée est un indicateur direct de la mesure de la turbulence du QGP.

    Des analyses STAR plus récentes ont cherché à mesurer l’alignement de spin de différents types de particules, y compris le phi et le K *0 mésons rapportés dans le courant La nature papier. Pour ces particules, il n’y a pas que deux orientations directionnelles pour le spin (« nord » et « sud »), mais Trois orientations possibles.

    Comme dans l’étude précédente, les physiciens de STAR ont mesuré l’alignement de spin de ces particules en suivant la distribution de leurs produits de désintégration par rapport à la direction perpendiculaire au plan de réaction des noyaux en collision. Pour le phi et K*0 mésons, les scientifiques traduisent ces mesures en une probabilité que la particule mère soit dans l’un des trois états de spin.

    « Si la probabilité de chacun de ces trois états est égale à un tiers, cela signifie qu’il n’y a aucune préférence pour la particule dans l’un de ces trois états d’alignement de spin », a expliqué le physicien STAR Xu Sun, ancien boursier postdoctoral à l’Université. de l’Illinois à Chicago, qui a récemment rejoint l’Institute of Modern Physics, Chine, en tant que membre du personnel scientifique.

    C’est essentiellement ce que les scientifiques ont trouvé pour le K*0 particules — peu importe. Mais pour les mésons phi, il y avait un signal fort qu’un état était préféré aux deux autres.

    « D’une manière ou d’une autre, la nature a décidé que les mésons phi avaient une préférence dans le choix de l’un de ces états », a déclaré Sun.

    Expliquer la préférence

    Chensheng Zhou – qui a travaillé avec Tang sur ces mesures depuis 2016, à partir de l’époque où il était étudiant diplômé à l’Université Fudan en Chine – a présenté les résultats préliminaires lors d’une conférence à l’Université Stony Brook en 2017. Cette présentation a incité les théoriciens à faire divers tente d’expliquer les résultats avec des mécanismes conventionnels – y compris la vorticité, le champ magnétique, la fragmentation et autres. La curiosité a continué de croître lorsque le collaborateur STAR Subhash Singha de l’Institute of Modern Physics a discuté du résultat lors de conférences en 2019 (lorsqu’il était postdoctoral à la Kent State University) et 2022.

    Pendant ce temps, les physiciens de STAR ont vérifié leurs analyses, effectué de nouvelles analyses et réduit l’incertitude de leurs résultats.

    « Nos résultats ont résisté à cet examen minutieux, et les chiffres ne correspondent toujours pas », a déclaré Tang. Décrire l’alignement global du spin du méson phi en utilisant uniquement les mécanismes conventionnels se traduirait par une valeur inférieure à ce que les scientifiques ont mesuré à STAR.

    Des théoriciens ont récemment émis l’idée que des fluctuations locales de la force forte dans le plasma quark-gluon pourraient être à l’origine de la préférence d’alignement de spin apparent des mésons phi. Comprendre les différentes composantes quark du phi et du K*0 les mésons pourraient aider à expliquer comment cela se produit – et fournir un moyen de mener d’autres tests.

    Xin-Nian Wang, théoricien au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE, a expliqué que chaque méson phi est constitué d’un quark et d’un antiquark de la même famille de « saveur » (étrange et anti-étrange). Les effets de force forte ont tendance à s’additionner et à influencer ces particules de même saveur dans la même direction.

    K*0 les mésons, quant à eux, sont constitués de paires quark-antiquark de différentes saveurs (duvet et anti-étrange). « Avec ce mélange de saveurs, la force forte pointe dans différentes directions, de sorte que son influence ne se manifesterait pas autant que dans le méson phi », a déclaré Wang.

    Pour tester cette idée, les physiciens de STAR envisagent d’étudier l’alignement de spin global d’un autre méson constitué de quarks de la même famille de saveur : la particule J/psi (composée de quarks charme et anti-charme).

    « Ceci est sur la liste des choses à faire de STAR pour les cycles RHIC de 2023 et 2025 », a déclaré Sun.

    Trouver une préférence d’alignement de spin global pour les particules J/psi ajouterait un support à l’explication de la force forte. Cela validerait également l’approche consistant à utiliser l’alignement de spin global de ces particules comme moyen d’étudier les fluctuations locales de force forte dans le QGP.

    « Même après plus de 22 ans de fonctionnement, le RHIC continue d’affiner notre compréhension de la nature en nous surprenant avec de nouvelles découvertes », a déclaré Tang.

    Parmi les autres contributeurs aux analyses qui ont conduit à ces résultats figurent : Jinhui Chen (Université de Fudan), Declan Keane (Université d’État de Kent) et Yugang Ma (Université de Fudan).

    Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science (NP), la US National Science Foundation et une série d’organisations et d’agences internationales répertoriées dans l’article scientifique. L’équipe STAR a utilisé les ressources informatiques du Scientific Data and Computing Center du Brookhaven Lab, du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE et du consortium Open Science Grid.

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