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Des scientifiques révèlent comment certains jets de particules perdent de l’énergie dans le plasma quark-gluon

Les scientifiques qui étudient les collisions de particules dans le collisionneur d’ions lourds relatifs (RHIC) ont révélé comment les jets de certaines particules perdent de l’énergie lorsqu’ils traversent la forme unique de la matière nucléaire produite par ces collisions. Les résultats sont publiés dans examen physique cdevrait les aider à découvrir les principales « propriétés de transport » de cette soupe de particules chaudes, connue sous le nom de plasma quark-gluon (QGP).

« En examinant comment les jets de particules ralentissent lorsqu’ils se déplacent dans le QGP, nous pouvons en apprendre davantage sur leurs propriétés de la même manière qu’étudier la façon dont les particules se déplacent dans l’eau vous dit quelque chose sur sa densité et sa viscosité », a déclaré Raghav Kunnawalkam Elayavalli, boursier postdoctoral à l’Université de Yale et membre de l’essai de collaboration STAR du RHIC.

Mais il y a plusieurs façons dont un avion peut perdre de la puissance ; ou « éteint ». Par conséquent, il peut être difficile de savoir lequel de ces éléments provoque l’effet de refroidissement.

Avec ces nouvelles découvertes, STAR a identifié, pour la première fois, un ensemble spécifique de jets dont les physiciens disent pouvoir déterminer le mécanisme : les quarks uniques qui émettent des gluons lorsqu’ils interagissent avec le QGP.

Les théoriciens peuvent désormais utiliser les données pour améliorer leurs calculs afin de décrire les propriétés de base de la soupe chaude de quarks.

« Les jets sont très utiles car ils vous indiquent comment ces quarks interagissent avec eux-mêmes. » Un autre auteur principal de l’analyse, Kolja Kauder, est physicien au Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie, où se trouve le RHIC. « C’est l’essence de la « chromodynamique quantique » – la théorie qui décrit les interactions de la force nucléaire forte des quarks et des gluons. Nous en apprenons davantage sur cette force fondamentale de la nature en étudiant comment éteindre ces jets. »

D’abord

La force forte joue un rôle majeur dans la construction de la structure de tout ce que nous voyons dans l’univers aujourd’hui. C’est parce que toute la matière visible est composée d’atomes avec des protons et des neutrons dans leur noyau. Ces particules, à leur tour, sont constituées de quarks maintenus ensemble par l’échange de particules fortes porteuses de force ; collage de gluons.

Mais les quarks n’étaient pas toujours connectés les uns aux autres. Les scientifiques pensent que les quarks et les gluons ont erré librement très tôt dans l’univers, juste une fraction de seconde après le Big Bang, avant que les éléments constitutifs de la matière basique ne se soient suffisamment refroidis pour former des protons et des neutrons. Le RHIC, une installation utilisateur du Bureau des sciences de l’énergie du Département américain de l’énergie pour la recherche en physique nucléaire, a été créé pour recréer et étudier les plasmas quark-gluon.

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Le RHIC recrée une soupe de quarks dans l’univers primitif en guidant des noyaux d’atomes lourds comme l’or dans des collisions face à face à une vitesse proche de la lumière. L’énergie libérée crée des milliers de nouvelles particules subatomiques, dont des quarks (rappelons que l’énergie peut créer de la masse et vice versa avec la fameuse équation E = mc2). Il « fond » également les limites des protons et des neutrons individuels pour libérer les quarks et les gluons internes.

Depuis plus de deux décennies, les scientifiques suivent comment différents types de particules traversent le plasma de quarks et de gluons qui en résulte. Il s’agit notamment des pulvérisations collimatrices, ou jets, de particules produites par la fragmentation d’un quark ou d’un gluon. Les scientifiques ont généralement constaté que les particules et les jets d’impulsion plus élevée perdent de l’énergie lorsqu’ils traversent le point chaud du QGP. Avec cette nouvelle étude, ils identifient un mécanisme spécifique de refroidissement par jet dans un sous-ensemble d’avions.

Tracez les « chiffres » sous différents angles

Cette étude s’est concentrée spécifiquement sur les jets de particules produits successivement (appelés chicanes), dans lesquels un jet proche de la surface du point QGP s’échappe facilement avec beaucoup d’énergie, tandis qu’un jet de recul parcourant un chemin plus long dans la direction opposée est éteint par le plasma. . Les physiciens des étoiles ont suivi l’énergie des particules qui composent le « cône » du jet de recul. La comparaison avec l’énergie du vol (ou « déclencheur ») leur indique la quantité d’énergie perdue.

Ils ont également divisé tous les événements en ceux qui ont produit des jets relativement étroits et ceux qui ont produit un jet de particules plus large.

« Notre intuition nous dit que quelque chose de plus large se déplaçant à travers le médium devrait perdre plus d’énergiea déclaré Kunnawalkam Elayavalli. « Si l’avion est étroit, il peut en quelque sorte pénétrer et vous vous attendez à moins de perte d’énergie qu’un avion plus large, qui voit plus de plasma. C’était l’attente. »

Suggérez de penser à un grand nageur se déplaçant dans l’eau de manière non aérodynamique. Vous vous attendriez à voir un sillage plus large s’éloigner de la personne que les talons d’un nageur mince et profilé. Dans le cas des particules, les physiciens s’attendaient à ce que le « sillage » plus large produit par les jets plus larges pousse les particules au-delà des limites de leur détection.

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« Mais ce que nous avons découvert, c’est qu’avec ce sous-ensemble particulier de jets que nous avons étudié au RHIC, peu importe l’angle d’ouverture du jet; ils perdent tous de l’énergie de la même manière. »

Pour les jets étroits et larges, l’énergie de toutes les impulsions élevées et Particules à faible impulsion L’intérieur du « cône » peut rendre compte de toute l’énergie « perdue » pour le refroidissement. Autrement dit, alors que ces jets ont subi une perte d’énergie, à la fois dans les jets larges et étroits, l’énergie perdue a été convertie en moins de particules d’impulsion qui sont restées dans le cône du jet.

« Lorsque les jets perdent de l’énergie, cette énergie perdue est convertie en particules avec une impulsion plus faible. Vous ne pouvez pas simplement perdre de l’énergie, vous devez la conserver », dit Koder de Brookhaven. La surprise était que toute l’énergie restait à l’intérieur du cône.

Archéologie

Les résultats ont des implications importantes pour la compréhension lorsque Le refroidissement arrive à ces avions.

« L’absence de différence entre les jets larges et étroits signifie que le mécanisme de perte d’énergie est indépendant de l’infrastructure de l’avion. La perte de puissance doit avoir eu lieu avant que les jets ne se séparent ; Avant qu’il y ait un angle d’ouverture, étroit ou large,dit Kunnawalkam Elayavalli.

Séquence d’événements la plus probable : « Il est possible qu’un quark traverse des gluons radioactifs dans le plasma (donnant de l’énergie) lorsqu’il interagit avec d’autres quarks dans le QGP, puis se divise pour produire la superstructure du jet. Les gluons se transforment en d’autres particules à faible impulsion qui restent à l’intérieur du cône, et ce sont les particules que nous mesurons », il a dit.

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Si une perte de puissance se produit après, après Dans le jet split, chaque particule composant l’infrastructure du jet perdrait son énergie, avec une probabilité plus élevée que les particules se propagent au-delà du cône du jet – en d’autres termes, formant un « sillage » en dehors de la région où les physiciens pourraient les mesurer.

Connaître le mécanisme spécifique des pertes d’énergie pour ces jets aidera les théoriciens à améliorer leurs calculs sur la relation entre la perte d’énergie et les propriétés de transport QGP – des propriétés quelque peu similaires à la viscosité et à la densité de l’eau. Cela donnerait également aux physiciens un moyen de mieux comprendre les interactions de force fondamentale forte entre les quarks.

« Acquérir une compréhension quantitative des propriétés de ce plasma est crucial pour étudier l’évolution de l’univers primitifKunnawalkam Elayavalli a dit :Y compris comment cette soupe primordiale de particules est devenue les protons et les neutrons des noyaux atomiques qui composent notre monde aujourd’hui.

« Cette mesure ouvre essentiellement la prochaine ère de la physique des jets au RHIC, qui nous permettra d’étudier un différentiel d’évolution de l’espace-temps dans le QGP.« 

Raghav Kunnawalkam Elayavalli a commencé cette analyse en tant que boursier postdoctoral à la Wayne State University en collaboration avec Couder (qui a ensuite quitté Wayne State pour rejoindre Brookhaven) et le physicien de Wayne State Yorn Bochsky, un autre auteur principal de l’analyse. Il a terminé l’analyse pendant son poste actuel au Yale / Brookhaven Lab avec la physicienne de l’Université de Yale Helen Kaines et le physicien du Brookhaven Laboratory Lijuan Ruan – et co-porte-parole de la collaboration STAR – et commencera le recrutement des professeurs à Vanderbilt cet été.

Cette recherche a été soutenue par le Bureau des sciences du Département de l’énergie (NP), qui soutient également les opérations du RHIC, et par la US National Science Foundation et un groupe d’agences internationales décrites dans l’article scientifique. La collaboration STAR a utilisé les ressources informatiques de l’installation informatique RHIC & ATLAS du laboratoire de Brookhaven ; National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l’Énergie au Lawrence Berkeley National Laboratory; et le consortium Open Science Grid.

la source: https://www.energy.gov/science/office-science