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Du plomb à la lumière, comment les collisionneurs éclairent la physique du Big Bang

SciTechDaily

Les collisions à haute énergie permettent de recréer et d'étudier le plasma quark-gluon, en se concentrant sur la recombinaison des quarks charmés et bottom en mésons Bc, une signature clé du QGP. Les données expérimentales du Grand collisionneur de hadrons corroborent les prédictions théoriques, et d'autres études visent à affiner la détection de ces mésons. Crédit : Issues.fr.com

Des chercheurs utilisent des collisions d'ions lourds à haute énergie pour étudier la relation quark-gluon plasma (QGP), étudiant son existence transitoire et la production unique de mésons Bc par recombinaison de quarks charmés et inférieurs.

Ces résultats, étayés par des données préliminaires du Grand collisionneur de hadrons, soulignent le potentiel des mésons Bc comme indicateurs du QGP, avec des avancées attendues dans les méthodes de détection pour fournir des preuves plus concluantes.

Les collisions à haute énergie de noyaux atomiques offrent une occasion unique de recréer le plasma quark-gluon (QGP) en laboratoire, pendant un bref instant. Le QGP est une forme fondamentale et extrêmement chaude de matière nucléaire dans laquelle les protons et les neutrons se dissolvent en quarks et en gluons. Il a rempli l'univers primitif dans les premières microsecondes après la formation du plasma quark-gluon. Big BangLes scientifiques utilisent les collisions d'ions lourds (particules chargées électriquement) pour produire un grand nombre de quarks lourds charmés et bottom. Ces quarks sont d'excellentes sondes de la formation de QGP. Plus précisément, la recombinaison des quarks charmés et bottom en mouvement libre facilite la production de Bc mésons – particules constituées d’un nombre égal de quarks et d’antiquarks – lorsque le QGP se désintègre.

La recombinaison des quarks améliore la production de mésons Bc

La recombinaison des quarks dans le plasma quark-gluon formé lors des collisions entre noyaux à haute énergie favorise la production de mésons Bc. Ces mésons sont constitués d'un quark charmé et d'un quark bottom. La majeure partie du plasma quark-gluon se désintègre en milliers d'autres particules. Crédit : CERN (Collaboration CMS, B. Wu, Z. Tang, M. He et R. Rapp)

Sur la piste du plasma quark-gluon

Un QGP formé dans des collisions d’ions lourds à haute énergie ne dure que peu de temps avant de se désintégrer en milliers de particules qui peuvent être observées dans des détecteurs. Ces détecteurs suivent les signatures, c’est-à-dire les signaux produits par des types spécifiques de particules. La découverte et l’étude de la formation de QGP dans des expériences avec des ions lourds nécessitent des signatures qui n’apparaissent pas dans d’autres types de collisions, comme les collisions proton-proton. Dans cette étude, les chercheurs ont réalisé des simulations théoriques de la diffusion des quarks charmés et bottom à travers le QGP. Ils ont découvert que la recombinaison de ces quarks améliore la production de Bc mésons. Ce mécanisme ne se produit pas dans les collisions proton-proton et peut donc servir de signature claire de la formation de QGP.

Amélioration de la production de méson Bc dans le QGP

Des chercheurs de la collaboration thématique HEFTY ont étudié la recombinaison des quarks charm et bottom en Bc mésons dans le QGP. Ils ont développé un modèle de transport qui simule la cinétique des états liés aux quarks lourds à travers la boule de feu en expansion du QGP formée lors de collisions d'ions lourds à haute énergie. Des recherches antérieures ont utilisé avec succès ce modèle pour décrire la production d'états liés charme-anticharme et fond-antifond, et peuvent ainsi fournir des prédictions pour Bc particules (états liés charme-antifond).

Les chercheurs ont utilisé des spectres réalistes de quarks charmés et bottom, calculés à partir de leur diffusion à travers le QGP, pour évaluer leurs processus de recombinaison. Les résultats montrent une forte amélioration du Bc rendement dans les collisions de noyaux de plomb (Pb), par rapport à celui des collisions de protons. L'effet le plus important est prévu pour le B lentc mésons dans les collisions « frontales » des noyaux de plomb, où se forme une grande boule de feu QGP avec un nombre appréciable de quarks charmés et bottom.

Perspectives d'avenir et données du LHC

Les calculs théoriques concordent avec les données pionnières de la collaboration CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Cependant, les données ne sont pas encore sensibles aux B lentsc mésons ; les données futures fourniront donc un test critique de cette signature QGP.

Ces travaux ont été soutenus par le Bureau des sciences du Département de l'énergie, Bureau de la physique nucléaire, par le biais de la collaboration thématique en théorie nucléaire sur la théorie des saveurs lourdes (HEFTY) pour la matière QCD. Cette recherche a également été financée par la Fondation nationale des sciences et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.

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