Comment attraper une vague parfaite : les scientifiques examinent de plus près l'intérieur du fluide parfait
Les recherches du Berkeley Lab nous permettent de mieux comprendre comment notre univers a commencé.
Les scientifiques ont rapporté de nouveaux indices pour résoudre une énigme cosmique : Comment le quark-gluon plasma – le fluide parfait de la nature – s'est transformé en matière.
Quelques millionièmes de seconde après le Big Bang, l'univers primitif a pris un nouvel état étrange : une soupe subatomique appelée le plasma quark-gluon.
Et il y a tout juste 15 ans, une équipe internationale comprenant des chercheurs du groupe Relativistic Nuclear Collisions (RNC) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a découvert que ce plasma quark-gluon est un fluide parfait – dans laquelle les quarks et les gluons, les éléments constitutifs des protons et des neutrons, sont si fortement couplés qu'ils circulent presque sans frottement.
Visionnez un clip vidéo accéléré montrant une onde de Mach supersonique évoluant dans un plasma quark-gluon en expansion. La simulation informatique donne un nouvel aperçu de la façon dont la matière s'est formée lors de la naissance de l'univers primitif. Crédit : Laboratoire de Berkeley
Les scientifiques ont postulé que des jets de particules hautement énergétiques traversaient le plasma quark-gluon - une gouttelette de la taille d'un atomeLe noyau de - à des vitesses supérieures à la vitesse du son, et qui, comme un avion à réaction rapide, émet un boom supersonique appelé onde de Mach. Pour étudier les propriétés de ces particules de jet, en 2014, une équipe dirigée par des scientifiques du Berkeley Lab a lancé une technique d'imagerie par rayons X atomique appelée tomographie par jet. Les résultats de ces études fondamentales ont révélé que ces jets se dispersent et perdent de l'énergie lorsqu'ils se propagent dans le plasma quark-gluon.
Mais où le voyage des particules du jet a-t-il commencé dans le plasma quark-gluon ? Un signal d'onde de Mach plus petit appelé le sillage de diffusion, ont prédit les scientifiques, vous indiquerait où regarder. Mais alors que la perte d'énergie était facile à observer, l'onde de Mach et le sillage de diffusion qui l'accompagnait restaient insaisissables.
Cette vidéo de 2010 décrit les collisions de particules lourdes au collisionneur d'ions lourds relativistes du Brookhaven National Laboratory. En 2005, les physiciens du RHIC ont annoncé que la matière créée lors des collisions les plus énergétiques de l'accélérateur se comporte comme un liquide presque parfait. Les propriétés de ce fluide, le plasma quark-gluon, nous aident à comprendre les propriétés de la matière dans l'univers primitif. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Or, dans une étude publiée récemment dans la revue Physical Review Letters, les scientifiques du Berkeley Lab rapportent de nouveaux résultats de simulations de modèles montrant qu'une autre technique qu'ils ont inventée, la tomographie par jet 2D, peut aider les chercheurs à localiser le signal fantomatique du sillage de diffusion.
« Son signal est si petit que c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin de 10,000 2 particules. Pour la première fois, nos simulations montrent que l'on peut utiliser la tomographie par jet 2D pour capter les minuscules signaux du sillage de diffusion dans le plasma quark-gluon », a déclaré Xin-Nian Wang, responsable de l'étude, chercheur principal à la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab. faisait partie de l'équipe internationale qui a inventé la technique de tomographie par jet XNUMXD.
Pour trouver cette aiguille supersonique dans la botte de foin quark-gluon, l'équipe du laboratoire de Berkeley a analysé des centaines de milliers d'événements de collision plomb-noyau simulés au Grand collisionneur de hadrons (LHC) à CERN, et des événements de collision de noyaux d'or au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire national de Brookhaven. Certaines des simulations informatiques pour l'étude actuelle ont été réalisées à l'installation d'utilisateur de supercalculateur NERSC de Berkeley Lab.
Wang dit que leur approche unique "vous aidera à vous débarrasser de tout ce foin dans votre pile - vous aidera à vous concentrer sur cette aiguille". Le signal supersonique des particules du jet a une forme unique qui ressemble à un cône - avec un sillage de diffusion derrière, comme des ondulations d'eau dans le sillage d'un bateau en mouvement rapide. Les scientifiques ont recherché des preuves de ce «wakelet» supersonique, car il vous indique qu'il y a un épuisement des particules. Une fois que le sillage de diffusion est situé dans le plasma quark-gluon, vous pouvez distinguer son signal des autres particules en arrière-plan.
Leurs travaux aideront également les expérimentateurs du LHC et du RHIC à comprendre les signaux à rechercher dans leur quête pour comprendre comment le plasma quark-gluon – le fluide parfait de la nature – s'est transformé en matière. « De quoi sommes-nous faits ? À quoi ressemblait l'univers infantile dans les quelques microsecondes qui ont suivi le Big Bang ? C'est encore un travail en cours, mais nos simulations du sillage de diffusion tant recherché nous rapprochent de la réponse à ces questions », a-t-il déclaré.
Référence: "Rechercher pour le sillage de diffusion insaisissable induit par les jets dans les jets Z/γ avec tomographie par jet 2D dans les collisions d'ions lourds à haute énergie » par Wei Chen, Zhong Yang, Yayun He, Weiyao Ke, Long-Gang Pang et Xin-Nian Wang, 17 août 2021, Physical Review Letters.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.082301
Les co-auteurs supplémentaires étaient Wei Chen, Université de l'Académie chinoise des sciences ; Zhong Yang, Université normale de Chine centrale ; Yayun He, Université normale de Chine centrale et Université normale de Chine du Sud ; Weiyao Ke, Berkeley Lab et UC Berkeley ; et Longgang Pang, Université normale de Chine centrale.
Le NERSC est une installation utilisateur du DOE Office of Science au laboratoire de Berkeley.
Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science et Office of Nuclear Physics.
