Les fluctuations locales de la force nucléaire forte peuvent influencer l’orientation du spin des particules

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Des physiciens de la collaboration STAR au Relativistic Heavy Ion Collider, un brise-atomes du Laboratoire national de Brookhaven, ont suivi des paires de kaons chargés positivement et négativement – les produits de désintégration des mésons phi, constitués de deux quarks maintenus ensemble par l’échange de gluons – et ont constaté que ces mésons ont une préférence pour l’un des trois états de spin possibles.

Le méson phi est constitué d'un quark étrange et d'un antiquark étrange maintenus ensemble par l'échange de gluons. Crédit image : Laboratoire national de Brookhaven.

Le méson phi est constitué d’un quark étrange et d’un antiquark étrange maintenus ensemble par l’échange de gluons. Crédit image : Laboratoire national de Brookhaven.

Comme son nom l’indique, la force forte est la plus puissante des quatre forces fondamentales de la nature.

C’est ce qui maintient ensemble les éléments constitutifs des atomes – les protons et les neutrons qui composent les noyaux atomiques, ainsi que leurs éléments constitutifs internes, les quarks et les gluons.

Le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) a été construit en grande partie pour que les physiciens puissent étudier cette force.

Pour ce faire, ils écrasent ensemble les noyaux d’atomes lourds qui tournent autour des anneaux d’accélérateur jumeaux du RHIC dans des directions opposées à une vitesse proche de celle de la lumière.

Les collisions frontales « font fondre » les limites des protons et des neutrons individuels, libérant les quarks et les gluons normalement confinés à l’intérieur pour créer un plasma quark-gluon.

Des mesures antérieures de la collaboration STAR ont révélé que lorsque les noyaux d’or entrent en collision de manière quelque peu décentrée, l’impact de l’éclat fait tourner la soupe chaude de quarks et de gluons.

Les physiciens ont mesuré la vorticité du plasma tourbillonnant quark-gluon en suivant son influence sur les spins de certaines particules émergeant des collisions.

Pour les particules d’une étude antérieure, le degré d’alignement de leurs axes de spin avec le moment cinétique généré lors de chaque collision décentrée est un indicateur direct de la mesure de la turbulence du plasma quark-gluon.

Des analyses plus récentes ont cherché à mesurer l’alignement de spin de différents types de particules, dont les mésons phi et K*0. Pour ces particules, il n’y a pas seulement deux orientations directionnelles pour le spin, mais trois orientations possibles.

Comme dans l’étude précédente, les physiciens de STAR ont mesuré l’alignement de spin de ces particules en suivant la distribution de leurs produits de désintégration par rapport à la direction perpendiculaire au plan de réaction des noyaux en collision.

Pour les mésons phi et K*0, ils traduisent ces mesures en une probabilité que la particule mère soit dans l’un des trois états de spin.

“Si la probabilité de chacun de ces trois états est égale à un tiers, cela signifie qu’il n’y a aucune préférence pour la particule d’être dans l’un de ces trois états d’alignement de spin”, a déclaré le Dr Xu Sun, chercheur à l’Institut chinois de physique moderne et membre de la collaboration STAR.

“C’est essentiellement ce que nous avons trouvé pour les particules K * 0 – peu importe. Mais pour les mésons phi, il y avait un signal fort qu’un état était préféré aux deux autres.

“D’une manière ou d’une autre, la nature a décidé que les mésons phi avaient une préférence pour choisir l’un de ces états.”

Des physiciens théoriques ont récemment émis l’idée que des fluctuations locales de la force forte dans le plasma quark-gluon pourraient être à l’origine de la préférence d’alignement de spin apparent des mésons phi.

Comprendre les différents composants quarks des mésons phi et K*0 pourrait aider à expliquer comment cela se produit et fournir un moyen de mener d’autres tests.

“Chaque méson phi est constitué d’un quark et d’un antiquark de la même famille de saveurs (étrange et anti-étrange)”, a déclaré le Dr Xin-Nian Wang, physicien théoricien au Lawrence Berkeley National Laboratory.

“Les effets de force forte ont tendance à s’additionner et à influencer ces particules de même saveur dans la même direction.”

“Les mésons K * 0, en revanche, sont constitués de paires quark-antiquark de différentes saveurs (down et anti-étrange).”

“Avec ce mélange de saveurs, la force forte pointe dans différentes directions, de sorte que son influence ne se manifesterait pas autant que dans le méson phi.”

Pour tester cette idée, les physiciens de STAR envisagent d’étudier l’alignement de spin global d’un autre méson constitué de quarks de la même famille de saveur, la particule J/psi (composée de quarks charme et anti-charme).

“Même après plus de 22 ans de fonctionnement, le RHIC continue d’affiner notre compréhension de la nature en nous surprenant avec de nouvelles découvertes”, a déclaré le Dr Aihong Tang, physicien au Brookhaven Lab.

Les résultats paraissent dans le journal La nature.

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