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Glissant lorsqu’il est écrasé : à quel point la matière nucléaire dense est-elle collante ?

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Des études sur le plasma quark-gluon issu de collisions de noyaux lourds indiquent que la viscosité augmente avec la densité du réseau baryonique, améliorant ainsi notre compréhension des phases de la matière nucléaire grâce à des simulations avancées. Crédit : Issues.fr.com

Des simulations avancées de collisions de noyaux atomiques lourds ont montré que la viscosité du quark-gluon plasma augmente avec la densité baryonique nette.

Cette recherche, importante pour la compréhension des transitions de phase de la matière nucléaire, exploite les données de diverses collisions énergétiques pour affiner les modèles théoriques.

Une soupe fluide composée de quarks et de gluons, les éléments fondamentaux de la matière visible, est créée lorsque des noyaux atomiques lourds entrent en collision. Cette soupe a une très faible viscosité, une mesure de sa « viscosité » ou de sa résistance à l'écoulement. Des théoriciens ont réalisé la première étude systématique visant à déterminer si et comment cette viscosité change sur une large gamme d'énergies de collision. Les travaux prennent en compte les changements qui se produisent lorsque les noyaux en collision se traversent. Les calculs prédisent que la viscosité du fluide augmente avec la densité baryonique nette, c'est-à-dire l'abondance relative des baryons (particules constituées de trois quarks, comme les neutrons et les protons qui composent les noyaux en collision) par rapport aux antibaryons (qui sont produits lors de la collision).

Informations sur la viscosité à partir des données de collision

Cette analyse a permis de déterminer les meilleurs paramètres pour adapter de nouvelles simulations aux données expérimentales issues de collisions de noyaux d'or à différentes énergies. Elle a prédit une augmentation de la viscosité avec l'augmentation de la densité baryonique nette. Cela concorde avec certaines prédictions théoriques, mais pas toutes. À l'avenir, les scientifiques utiliseront ce même cadre théorique pour incorporer des données supplémentaires provenant d'une gamme d'énergies de collision. Ces simulations étendues ne fourniront pas seulement des informations sur les viscosités. Elles offriront également des données sur l'ensemble du diagramme de phase de la matière nucléaire, qui montre comment la matière nucléaire varie d'un état solide, liquide, gazeux ou plasmatique en fonction de la température et de la densité baryonique.

Collisions or-or à différentes énergies

Les physiciens ont modélisé des collisions or-or à différentes énergies pour étudier les propriétés des fluides sur une gamme de températures et de densités de baryons. La ligne en pointillés représente la région où la matière nucléaire ordinaire devrait passer aux quarks et aux gluons libres. Crédit : Chun Shen, Wayne State University

Techniques avancées de simulation

Ce travail combine des simulations dynamiques de fluides visqueux de pointe dans les trois dimensions spatiales avec des modèles dynamiques nouvellement développés de l'étape initiale des collisions pour décrire les collisions d'ions lourds au collisionneur d'ions lourds relativistes.

(RHIC), une installation utilisatrice du Département de l'énergie, sur une large gamme d'énergies de collision. L'intégration de l'évolution de l'état initial permet la génération continue de matière nucléaire fluide lorsque les noyaux en collision se traversent. Ceci est particulièrement important aux énergies de faisceau plus faibles où l'hypothèse d'une collision instantanée n'est pas valide.

Analyse événement par événement dans les collisions nucléaires

Dans cette étude, une équipe de théoriciens du Brookhaven National Laboratory, du Lawrence Berkeley National Laboratory, de l'Université de Californie à Berkeley et de l'Université d'État de Wayne a utilisé ce modèle polyvalent pour effectuer des calculs événement par événement qui prennent en compte les fluctuations de la géométrie initiale des noyaux en collision et la forme résultante de la boule de feu produite. Les chercheurs ont fait varier et contraint les paramètres du modèle, qui incluent les viscosités de la matière produite ainsi que les propriétés de l'état initial, pour effectuer une analyse statistique avec des données expérimentales collectées lors du Beam Energy Scan (BES) du RHIC. Cette analyse basée sur les données de la façon dont les viscosités dépendent de la densité nette des baryons était basée sur 5 millions d'événements de collision simulés numériquement. Les chercheurs peuvent désormais comparer cette analyse à des calculs purement théoriques. Le même cadre peut être appliqué aux mesures de la phase II du BES au RHIC et au futur Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) en Europe.

Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie, le Bureau de la physique nucléaire et la National Science Foundation. La recherche a utilisé les ressources informatiques de l'Open Science Grid, soutenues par la National Science Foundation.

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