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Two oxygen nuclei, each made of eight protons and eight neutrons, hit each other at nearly the speed of light inside the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at Brookhaven National Laboratory, in the United States. The impact breaks the nuclei apart and frees their protons and neutrons into the quarks and gluons they are made of. The result is quark-gluon plasma (QGP), the matter that existed during the first few microseconds after the Big Bang, and a tool for working out how protons, neutrons and atoms were first formed.
Deux noyaux d'oxygène, composés chacun de huit protons et huit neutrons, se percutent à une vitesse proche de celle de la lumière à l'intérieur du Collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven, aux États-Unis. Le choc disloque les noyaux et libère leurs protons et neutrons en quarks et gluons, qui les constituent. Il en résulte le plasma de quarks et de gluons (QGP), la matière qui existait durant les toutes premières microsecondes après le Big Bang, et un outil pour comprendre comment les protons, les neutrons et les atomes se sont formés.
The plasma is too short-lived to be watched directly, even at RHIC or at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Physicists therefore study the particles that fly out of each collision, recorded by detectors such as STAR, the Solenoidal Tracker at RHIC. The main clue is jet quenching. Energetic sprays of particles lose energy as they travel through the hot, dense matter left after the nuclei collide, and that loss is considered a signature of QGP. Studying the plasma also helps with other questions, such as the limits of nuclear stability and the search for exotic particles like X-particles. "One of the most powerful ways scientists study the QGP is by identifying where its signatures appear — and just as importantly, where these signatures turn off," said Li Yi, a professor of physics at Shandong University involved in the work.
Le plasma est trop éphémère pour être observé directement, y compris au RHIC ou au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Les physiciens étudient donc les particules qui sortent de chaque collision, enregistrées par des détecteurs comme STAR, le Solenoidal Tracker at RHIC. L'indice principal est la trempe des jets. Les gerbes de particules énergétiques perdent de l'énergie en traversant la matière chaude et dense laissée après la collision des noyaux, et cette perte est considérée comme une signature du QGP. L'étude du plasma aide aussi à répondre à d'autres questions, comme les limites de la stabilité nucléaire ou la recherche de particules exotiques telles que les particules X. « L'une des façons les plus efficaces pour les scientifiques d'étudier le QGP consiste à identifier où apparaissent ses signatures, et tout aussi important, où ces signatures disparaissent », a déclaré Li Yi, professeur de physique à l'université du Shandong, impliqué dans ces travaux.
Gold was the benchmark. Gold nuclei, with 78 protons and 118 neutrons, showed jet quenching, and their lower-energy particles moved together like a perfect liquid with no resistance. The RHIC team wanted to know whether a much lighter system would produce the same signature. Its oxygen-oxygen collisions, run at 200 GeV (200 billion electron volts) at RHIC in 2021, showed 20 percent suppression of high-energy particles from jet quenching. That is lower than the figures for gold and lead, but the researchers say it is still proof that QGP formed. Researchers at CERN have also studied oxygen-oxygen collisions, which lets the two teams compare their findings.
L'or servait de référence. Les noyaux d'or, avec 78 protons et 118 neutrons, présentaient une trempe des jets, et leurs particules de plus basse énergie se déplaçaient ensemble comme un liquide parfait, sans aucune résistance. L'équipe du RHIC voulait savoir si un système beaucoup plus léger produirait la même signature. Ses collisions oxygène-oxygène, menées à 200 GeV (200 milliards d'électronvolts) au RHIC en 2021, ont montré une suppression de 20 % des particules de haute énergie due à la trempe des jets. Ce chiffre est inférieur à ceux obtenus avec l'or et le plomb, mais les chercheurs affirment qu'il prouve tout de même la formation du QGP. Des chercheurs du CERN ont également étudié les collisions oxygène-oxygène, ce qui permet aux deux équipes de comparer leurs conclusions.
Rongrong Ma, a STAR physicist at Brookhaven National Laboratory, described the goal: "We are pushing the boundaries in two ways to explore the minimal conditions for creating a QGP, both in terms of the nucleus size by looking at these small oxygen-oxygen collisions, but also by looking at data from lower collision energies — and we still see this crucial QGP signature."
Rongrong Ma, physicienne de STAR au Laboratoire national de Brookhaven, a décrit l'objectif : « Nous repoussons les limites de deux façons pour explorer les conditions minimales de création d'un QGP, à la fois en termes de taille des noyaux, en observant ces petites collisions oxygène-oxygène, mais aussi en examinant des données issues de collisions à plus basse énergie, et nous observons toujours cette signature cruciale du QGP. »
For now, the gain is for physics rather than for any device. Theorists who study the early universe and nuclear stability get a smaller, simpler reference point than gold collisions, and experimenters can check their results against CERN's. The collisions also show how far the signature survives as the system shrinks, which is the boundary the team set out to find. No date is given for the next findings. The new sPHENIX detector, now part of RHIC's setup, should bring much more to light in the coming period.
Pour l'instant, le gain profite à la physique plutôt qu'à un quelconque appareil. Les théoriciens qui étudient l'univers primitif et la stabilité nucléaire disposent d'un point de référence plus petit et plus simple que les collisions d'or, et les expérimentateurs peuvent vérifier leurs résultats par rapport à ceux du CERN. Ces collisions montrent aussi jusqu'où la signature persiste à mesure que le système rétrécit, ce qui constitue la frontière que l'équipe voulait déterminer. Aucune date n'a été annoncée pour les prochaines découvertes. Le nouveau détecteur sPHENIX, désormais intégré au dispositif du RHIC, devrait apporter bien davantage de précisions dans les mois à venir.