Les collisions d’ions lourds génèrent un champ magnétique extrêmement puissant qui, à son tour, induit des effets électromagnétiques dans le plasma quark-gluon, une « soupe » de quarks et de gluons libérés par les protons et les neutrons en collision. Crédit : Tiffany Bowman et Jen Abramowitz/Brookhaven National Laboratory
Les données des collisions d'ions lourds fournissent de nouvelles informations sur les propriétés électromagnétiques du quark-gluon plasma « déconfiné » des protons et des neutrons.
Les scientifiques ont découvert la première preuve directe que les puissants champs magnétiques créés lors de collisions décentrées de noyaux atomiques induisent un courant électrique dans la matière nucléaire « déconfinée ». Il s’agit d’une « soupe » plasmatique de quarks et de gluons qui ont été libérés ou « déconfinés » de la matière nucléaire – protons et neutrons – lors des collisions de particules.
Bien que les champs magnétiques présents dans la matière nucléaire déconfinée soient un milliard de fois plus puissants que ceux d’un aimant de réfrigérateur classique, leurs effets peuvent être difficiles à détecter. Les preuves de cette nouvelle étude proviennent de la mesure de la manière dont les particules chargées électriquement sont déviées lorsqu'elles émergent des collisions. L’étude prouve que de puissants champs magnétiques existent. Il offre également une nouvelle façon de mesurer la conductivité électrique dans le plasma quark-gluon (QGP).
Mesurer la conductivité électrique
Les scientifiques peuvent déduire la valeur de la conductivité électrique du QGP à partir de la mesure dans laquelle le champ électromagnétique dévie les particules chargées telles que les électrons, les quarks et les protons. Plus un type particulier de déviation est fort, plus la conductivité est forte. La conductivité est une propriété importante de la matière, mais les scientifiques n’avaient pas encore pu la mesurer dans le QGP.
Comprendre les propriétés électromagnétiques du QGP peut aider les physiciens à percer les mystères de la transition de phase entre le QGP et la matière nucléaire ordinaire composée de protons et de neutrons. Les travaux contribueront également à l’exploration d’autres effets magnétiques dans le QGP.
Défis de la mesure du champ magnétique
Les collisions décentrées de noyaux atomiques au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), une installation utilisateur d'accélérateur de particules du ministère de l'Énergie du laboratoire national de Brookhaven, devraient générer de puissants champs magnétiques. En effet, certains des protons chargés positivement qui n'entrent pas en collision tourbillonnent lorsque les noyaux se glissent latéralement à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Les champs devraient être plus forts que ceux des étoiles à neutrons et beaucoup plus puissants que ceux de la Terre.
Cependant, mesurer les champs magnétiques dans le QGP est un défi car cette matière nucléaire déconfinée ne dure pas très longtemps. Ainsi, les scientifiques mesurent les propriétés du QGP indirectement, par exemple en utilisant le détecteur STAR du RHIC pour suivre l'impact du champ magnétique sur les particules chargées provenant des collisions.
Découverte du courant électrique induit
Les physiciens de STAR ont observé un schéma de déviation de particules chargées qui ne pouvait être provoqué que par un champ électromagnétique et un courant induits dans le QGP. C’était une preuve claire de l’existence des champs magnétiques. Le degré de déviation est directement lié à l’intensité du courant induit.
Les scientifiques vont désormais utiliser cette méthode pour mesurer la conductivité du QGP. Cela pourrait à son tour les aider à percer les mystères de la transition de phase entre les quarks et les gluons déconfinés et les particules composites telles que les protons et les neutrons.
Cette recherche a été financée par le Bureau scientifique du ministère de l’Énergie, la National Science Foundation et une série d’organisations et d’agences internationales répertoriées dans l’article scientifique. L'équipe STAR a utilisé les ressources informatiques du Scientific Data and Computing Center du Brookhaven National Laboratory, du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory et du consortium Open Science Grid.
