Utilisation des trois accélérateurs de particules les plus puissants au monde pour révéler la géométrie espace-temps de la matière des quarks

Des physiciens de l’Université Eötvös Loránd (ELTE) ont mené des recherches sur la matière constituant le noyau atomique en utilisant les trois accélérateurs de particules les plus puissants au monde. Leur objectif a été de cartographier la « soupe primordiale » qui a rempli l’univers dans le premier millionième de seconde suivant sa création.

Curieusement, leurs mesures ont montré que le mouvement des particules observées ressemble à la recherche de proies de prédateurs marins, aux modèles de changement climatique et aux fluctuations du marché boursier.

Immédiatement après le Big Bang, les températures étaient si extrêmes que les noyaux atomiques ne pouvaient exister, ni les nucléons, leurs éléments constitutifs. Ainsi, dans ce premier cas, l’univers était rempli d’une « soupe primordiale » de quarks et de gluons.

À mesure que l’univers se refroidissait, ce milieu a subi un « gel », conduisant à la formation des particules que nous connaissons aujourd’hui, telles que les protons et les neutrons. Ce phénomène est reproduit à une échelle beaucoup plus petite dans les expériences sur les accélérateurs de particules, où les collisions entre deux noyaux créent de minuscules gouttelettes de matière de quarks. Ces gouttelettes finissent par passer dans la matière ordinaire par gel, une transformation connue des chercheurs menant ces expériences.

Cependant, les propriétés de la matière des quarks varient en raison des différences de pression et de température résultant de l’énergie de collision dans les accélérateurs de particules. Cette variation nécessite des mesures pour « scanner » la matière dans des accélérateurs de particules de différentes énergies, le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) aux États-Unis, ou le super synchrotron à protons (SPS) et le grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse.

“Cet aspect est si crucial que de nouveaux accélérateurs sont construits partout dans le monde, par exemple en Allemagne ou au Japon, spécifiquement pour de telles expériences. La question la plus importante est peut-être de savoir comment s’effectue la transition entre les phases : un point critique peut apparaître sur la phase carte”, explique Máté Csanád, professeur de physique au Département de physique atomique de l’Université Eötvös Loránd (ELTE).

L’objectif à long terme de la recherche est d’approfondir notre compréhension de l’interaction forte qui régit les interactions dans la matière des quarks et dans les noyaux atomiques. Notre niveau actuel de connaissances dans ce domaine peut être comparé à la maîtrise de l’électricité de l’humanité à l’époque de Volta, Maxwell ou Faraday.

S’ils avaient une notion des équations fondamentales, il a fallu un travail expérimental et théorique considérable pour développer des technologies qui ont profondément transformé la vie quotidienne, allant de l’ampoule électrique aux téléviseurs, en passant par les téléphones, les ordinateurs et Internet. De même, notre compréhension de l’interaction forte est encore embryonnaire, ce qui rend les recherches visant à l’explorer et à la cartographier d’une importance vitale.

Les chercheurs de l’ELTE ont participé à des expériences sur chacun des accélérateurs mentionnés ci-dessus et leurs travaux de ces dernières années ont permis de dresser un tableau complet de la géométrie de la matière des quarks. Ils y sont parvenus grâce à l’application de techniques de femtoscopie. Cette technique utilise les corrélations qui découlent de la nature ondulatoire non classique, de type quantique, des particules produites, ce qui révèle finalement la structure à l’échelle femtométrique du milieu, la source émettrice de particules.

“Au cours des décennies précédentes, la femtoscopie reposait sur l’hypothèse que la matière des quarks suivait une distribution normale, c’est-à-dire la forme gaussienne que l’on retrouve dans de nombreux endroits dans la nature”, explique Márton Nagy, l’un des principaux chercheurs du groupe. Cependant, les chercheurs hongrois se sont tournés vers le processus de Lévy, également connu dans diverses disciplines scientifiques, comme cadre plus général et qui décrit bien la recherche de proies par les prédateurs marins, les processus boursiers ou encore le changement climatique.

Un trait distinctif de ces processus est qu’à certains moments ils subissent des changements très importants (par exemple, lorsqu’un requin cherche de la nourriture dans une nouvelle zone), et dans de tels cas, une distribution de Lévy plutôt qu’une distribution normale (gaussienne) peut se produire.

Cette recherche revêt une importance significative pour plusieurs raisons. Principalement, l’une des caractéristiques les plus étudiées du gel de la matière des quarks, sa transformation en matière conventionnelle (hadronique), est le rayon femtoscopique (également appelé rayon HBT, en notant sa relation avec l’effet bien connu de Hanbury Brown et Twiss dans astronomie), dérivée de mesures femtoscopiques. Cependant, cette échelle dépend de la géométrie supposée du milieu.

Comme le résume Dániel Kincses, chercheur postdoctoral du groupe : « Si l’hypothèse gaussienne n’est pas optimale, alors les résultats les plus précis de ces études ne peuvent être obtenus que sous l’hypothèse de Lévy. La valeur de « l’exposant de Lévy », qui caractérise ” La distribution de Lévy peut également éclairer la nature de la transition de phase. Ainsi, sa variation avec l’énergie de collision fournit des informations précieuses sur les différentes phases de la matière des quarks. ”

Les chercheurs d’ELTE participent activement à quatre expériences : NA61/SHINE à l’accélérateur SPS, PHENIX et STAR au RHIC et CMS au LHC. Le groupe NA61/SHINE d’ELTE est dirigé par Yoshikazu Nagai, le groupe CMS par Gabriella Pásztor ; et les groupes RHIC par Máté Csanád, qui coordonne également la recherche sur la femtoscopie d’ELTE.

Les groupes apportent des contributions substantielles au succès des expériences à divers titres, allant du développement de détecteurs à l’acquisition et à l’analyse de données. Ils sont également engagés dans de nombreux projets et recherches théoriques. “Ce qui est unique dans nos recherches en femtoscopie, c’est qu’elles sont menées dans le cadre de quatre expériences dans trois accélérateurs de particules, ce qui nous donne une vue d’ensemble de la géométrie et des phases possibles de la matière des quarks”, déclare Máté Csanád.

L’équipe a présenté ses dernières découvertes lors de l’atelier sur les corrélations de particules et la femtoscopie, qui s’est tenu du 6 au 10 novembre 2023. Dans le cadre de collaborations à grande échelle, ils ont également publié des recherches connexes dans Le Journal Européen de Physique C, Lettres de physique B et Univers.