Les membres de la Collaboration Star, un groupe de physiciens collectant et analysant les données à partir de collisions de particules au collège relativiste des ions lourds (RHIC), ont publié une nouvelle analyse de haute précision des données sur le nombre de protons produits dans les smashups d'Ion Gold sur une gamme d'énergies.
Les résultats, publiés dans Lettres d'examen physiquesuggérer que les scientifiques ont observé une partie d'une signature clé d'un « point critique. » C'est un point unique sur le « carte » Des phases nucléaires qui marquent un changement dans la façon dont les quarks et les glluons, les éléments constitutifs des protons et des neutrons, passent d'une phase de matière à l'autre.
Découvrir le point critique a été un objectif central de la recherche chez RHIC, un Office of Science User Facility Office of Science Department of Energy US Department of Energy (DOE) pour la recherche en physique nucléaire au DOE's Brookhaven National Laboratory. Comme les efforts sécaires pour cartographier les phases solides, liquides et gazeuses des substances comme l'eau, il est considéré comme essentiel pour comprendre et décrire le plasma de gluon Quark-Gluon.
Cette forme unique de matière nucléaire est générée par les collisions nucléaires les plus énergiques de RHIC, qui « fondre » Les protons et les neutrons qui composent les ions d'or en collision libérant brièvement leurs éléments constitutifs les plus intérieurs pour former un état fluide presque parfait qui remplissait autrefois notre premier univers.
Les nouveaux résultats renforcent la confiance de Star dans des indices antérieurs alléchants d'un point critique – une transition dans la façon dont cette fusion se produit, selon la température et la densité de la matière nucléaire. Mais les scientifiques ne sont pas prêts à déclarer la découverte avant qu'une autre partie de la signature clé ne se révèle, peut-être dans les données d'étoiles encore à analyser.
« Depuis les dernières découvertes, Star a entrepris une énorme collection d'ensembles de données en utilisant de nombreux composants de détection nouveaux et améliorés qui nous ont permis de suivre plus de particules sur des zones plus larges dans le détecteur que jamais auparavant, » a déclaré Ashish Pandav, un collaborateur vedette du Laboratoire national de Lawrence Berkeley de DOE (Berkeley Lab) et parmi ceux qui dirigent l'effort d'analyse. « De plus, l'équipe d'accélérateur de RHIC a mis en œuvre des techniques innovantes pour augmenter les taux de collision même à faible énergie. »
Avec ces améliorations de détecteur et d'accélérateur, l'équipe Star a collecté un volume sans précédent de données de haute précision à une gamme d'énergies de collision. « Ces mesures nous permettent d'observer des écarts très subtils ou des modèles subtils dans les données, » Pandav a déclaré.
Berkeley Lab a joué un rôle central dans STAR (le tracker solénoïde chez RHIC) depuis le début du projet. Les ingénieurs de laboratoire ont mené la conception et la construction du système de suivi principal du détecteur, la chambre de projection du temps (TPC). Le personnel a également joué un rôle important dans la construction des nouvelles sections intérieures du TPC (ITPC), qui a considérablement élargi la sensibilité du détecteur et les données utilisées dans la nouvelle mesure. Et le programme de balayage d'énergie du faisceau, qui entre en collision des ions or à différentes énergies de RHIC, a été conçu au Berkeley Lab en 2004.
« Les scientifiques de Berkeley Lab sont un moteur des programmes de balayage d'énergie du faisceau au RHIC depuis deux décennies, » a déclaré Xin Dong, un scientifique de Berkeley Lab qui travaille sur l'expérience Star. « Nous poussons à la fois l'expérience et la théorie parce que nous voulons comprendre les atomes et notre premier univers à un niveau vraiment fondamental. »
Les scientifiques de la division des sciences nucléaires du laboratoire ont également contribué des informations théoriques, et de grandes quantités de données de collision et de simulation ont été traitées à l'aide de l'installation du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du laboratoire (NERSC).
« Les nouvelles données Star ont déjà déclenché une excitation significative dans la communauté théorique, » a déclaré Volker Koch, un théoricien nucléaire de Berkeley Lab. « Maintenant, c'est aux théoriciens de rassembler les ingrédients et de comprendre comment les données peuvent nous dire sur la structure de phase dans de fortes interactions. »
Signes subtils, analyse de haut niveau
« Trouver le point critique placerait un point de repère sur le diagramme de phase nucléaire, » a déclaré Xiaofeng Luo, un collaborateur vedette de la Central China Normal University et l'un des dirigeants de l'analyse. « Il marquerait une étape fondamentale dans notre compréhension de la façon dont la matière se comporte dans des conditions extrêmes – de la naissance de l'univers aux noyaux des étoiles à neutrons. »
Pour trouver des preuves d'un point critique, les scientifiques recherchent des signes de fluctuations du nombre de protons émergeant des collisions par événement. Comme l'expérience des passagers des compagnies aériennes de turbulences comme un avion entre dans un nuage, de telles fluctuations sont attendues car les conditions créées dans l'approche des collisions du point critique.
Mais les signes de fluctuations de l'environnement nucléaire ne sont pas aussi évidents que les boissons et les collations rebondissant sur des plateaux de dossiers dans un avion. À « voir » eux, les scientifiques doivent regarder au-delà des comptes simples de protons produits en collisions pour « ordre » Analyses statistiques qui décrivent les aspects de la répartition de ces dénombrements.
Ces ordres statistiques supérieurs comprennent, par exemple, la propagation des valeurs, qu'ils soient biaisés d'une manière ou d'une autre par rapport à la valeur centrale, et à quel point les pics et les queues sont nets ou larges lorsque les points de données sont tracés sur un graphique.
« Plus l'ordre est élevé, plus les propriétés de la forme de la distribution sont subtiles et plus la précision vous avez besoin de voir ces propriétés, » a déclaré Mikhail Stephanov, un théoricien nucléaire de l'Université de l'Illinois Chicago qui a fait des prédictions pour ce que les scientifiques vedettes devraient observer.
Les expériences mesurent ces propriétés de fluctuation à différentes énergies de collision, a noté Stephanov. Dans la matière sans point critique, il a expliqué que ces valeurs d'ordre supérieur devraient rester plates ou changer dans une seule direction, en montant ou en descendant, par exemple, à mesure que l'énergie de collision est abaissée.
Mais s'il y a un point critique, les calculs théoriques de Stephanov prédisent que la valeur de netteté pic / queue – plus connue sous le nom de « kurtosis »- devriez d'abord tomber, puis tourner et s'élever au-dessus de sa ligne de base, puis retourner vers le bas.
« Ces changements de direction signifient qu'il y a une énergie particulière à laquelle quelque chose se produit qui ne se produit pas à d'autres points, » Il a dit. « C'est comme si un avion – que ce soit l'escalade, la descente ou la croisière – parlait de la turbulence. Au lieu de l'accélération régulière habituelle, les passagers ressentent des changements soudains en direction de l'accélération. C'est un signal clair que l'avion passe un point où quelque chose de significatif se passe dans l'atmosphère. »
Comme la frontière entre des systèmes météorologiques distincts qui peuvent déclencher une telle turbulence, le point critique peut être considéré comme un « devant » entre deux façons distinctes par lesquelles la matière nucléaire fond en quarks et en gluons.
Une signature partielle
Dans l'analogie de l'avion, il est peu probable que les passagers remarquent le changement dans l'analyse statistique d'ordre supérieur de la turbulence.
« C'est trop subtil, » Stephanov a noté. « Vous avez besoin d'un instrument spécial pour détecter ce changement. »
Mais le détecteur d'étoiles est un instrument vraiment sensible. Dans ses dernières données de production de protons, il a désormais les indications les plus fortes à ce jour d'au moins certains des changements de kurtosis prévus.
Par rapport aux attentes de référence s'il n'y avait pas de point critique, « Nous voyons un minimum clair et proéminent dans les données pour le kurtosis à une énergie de collision d'ions d'or RHIC autour de 20 milliards d'électrons volts (GEV), » Pandav a déclaré.
Au fur et à mesure que l'énergie de collision diminue plus loin, les valeurs de kurtosis remontent et remontent à la plage de référence à 7,7 GEV. Cette baisse et cette montée subséquente par rapport à divers calculs de référence dérivées par les théoriciens pourraient représenter la moitié de la signature attendue d'un point critique. « Selon la valeur de référence utilisée, c'est à un niveau de deux à cinq sigma – une plage statistiquement significative, » Pandav a déclaré.
Mais que se passe-t-il en dessous de ce niveau d'énergie GeV 7.7? Star a un point de données supplémentaire déjà publié à partir de collisions de cible fixe à 3 GEV. La valeur de kurtosis de proton à cette énergie semble tomber légèrement en dessous de sa valeur à 7,7 GEV, mais toujours dans la plage des valeurs de base.
« Il y a encore un grand écart entre 7,7 et 3 Gev, » Stephanov a déclaré. La valeur de la kurtosis dépasse-t-elle au-dessus de sa ligne de base, puis recule comme la signature basée sur la théorie le prédit? Star pourra répondre au moins une partie de cette question avec des données supplémentaires de collisions supplémentaires à faible énergie à cible fixe déjà en main.
« Cela va arriver très bientôt à l'avenir; C'est sur la liste des tâches pour Star, » a déclaré Shinichi Esumi, un collaborateur vedette de l'Université de Tsukuba et un autre leader de l'analyse.
« Ces résultats reflètent plus de 15 ans d'efforts mondiaux soutenus pour cartographier précisément le diagramme de phase nucléaire, » a déclaré Bedangadas Mohanty de l'Institut national de l'enseignement et de la recherche de l'Inde. Mohanty est un ancien chercheur postdoctoral au Berkeley Lab et a joué un rôle de premier plan dans la formation du programme de balayage d'énergie de la poutre.
L'équipe Star a également hâte de poursuivre les raffinements dans la théorie décrivant les signatures prévues pour le point critique.
« Jusqu'à présent, les signatures sont ce que l'on attendrait d'un point critique, au moins la partie que nous pouvons voir, mais nous avons toujours besoin d'une bien meilleure compréhension de la façon dont un point critique produit de telles signatures, » Stephanov a déclaré. « Et, en tant que théoricien, je dirais qu'il y a encore du travail à faire pour mieux quantifier les signatures attendues.
« Finalement, » Il a noté, « Nous aimerions traduire les signatures que nous voyons en propriétés du diagramme de phase nucléaire – la «carte» de la façon dont les phases de matière nucléaire changent avec une température variable et une densité baryon. Mais nous devons d'abord nous assurer que nous sommes convaincus que le point critique est là. »
L'effort qui a abouti à cette analyse de collaboration Star a été soutenu par un groupe de scientifiques d'institutions du monde entier qui ont tenu des réunions régulières deux fois par semaine à travers des fuseaux horaires pour examiner et examiner les résultats. Ces réalisations ont été rendues possibles avec le dévouement et le soutien soutenus de toute la collaboration Star. L'opération experte du RHIC par le personnel du département de collisionneur-accélérateur de Brookhaven Lab a été essentielle pour fournir les données de haute qualité utilisées dans cette étude.
