Comment les boules de feu quark-gluon-plasma explosent-elles en hadrons ?

Le plasma quarks-gluons (QGP) est un état passionnant de la matière que les scientifiques créent en laboratoire par la collision de deux noyaux lourds. Ces collisions produisent une boule de feu QGP. La boule de feu se dilate et se refroidit selon les lois de l'hydrodynamique, qui régissent le comportement des fluides dans diverses conditions. Finalement, des particules subatomiques (protons, pions et autres hadrons, ou particules composées de deux ou plusieurs quarks) émergent et sont observées et comptées par les détecteurs entourant la collision.

Les fluctuations du nombre de ces particules d’une collision à l’autre contiennent des informations importantes sur le QGP. Cependant, extraire ces informations de ce que les scientifiques peuvent observer est une tâche difficile. Une approche appelée principe d'entropie maximale établit un lien crucial entre ces observations expérimentales et l'hydrodynamique de la boule de feu QGP.

L'approche est décrite dans la revue Lettres d'examen physique.

À mesure qu’une boule de feu QGP se dilate et se refroidit, elle finit par devenir trop diluée pour être décrite par l’hydrodynamique. A ce stade, le QGP s'est « hadronisé ». Cela signifie que son énergie et d’autres propriétés quantiques sont portées par les hadrons. Ce sont des particules subatomiques telles que des protons, des neutrons et des pions constituées de quarks. Les hadrons « gèlent » : ils gèlent les informations sur l'état hydrodynamique final de la boule de feu QGP, permettant aux particules issues de la collision de transmettre ces informations aux détecteurs lors d'une expérience.

La recherche fournit un outil permettant d'utiliser des simulations pour calculer les fluctuations observables du QGP. Cela a permis aux chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago d'utiliser le gel pour identifier les indices d'un point critique entre une boule de feu QGP et un état hadronisé gazeux. Ce point critique est l'une des questions non résolues des scientifiques sur la chromodynamique quantique, la théorie des fortes interactions entre quarks induites par les gluons.

Les fluctuations du QGP contiennent des informations sur la région du diagramme de phase QCD où les collisions « se figent ». Cela fait de la connexion des fluctuations de l'hydrodynamique aux fluctuations des hadrons observés une étape cruciale dans la traduction des mesures expérimentales dans la carte du diagramme de phase QCD. Les grandes fluctuations événement par événement sont des signatures expérimentales révélatrices du point critique.

Les données du programme Run-I Beam Energy Scan (BES) du Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) suggèrent la présence du point critique. Pour suivre cette idée, les chercheurs ont proposé une approche nouvelle et universelle pour convertir les fluctuations hydrodynamiques en fluctuations de multiplicités hadroniques.

Cette approche surmonte avec élégance les défis rencontrés lors des tentatives précédentes pour résoudre ce problème. Surtout, la nouvelle approche basée sur le principe d'entropie maximale préserve toutes les informations sur les fluctuations des quantités conservées décrites par l'hydrodynamique. La nouvelle procédure de gel trouvera des applications dans les calculs théoriques des fluctuations et des corrélations événement par événement observées dans des expériences telles que le programme Beam Energy Scan du RHIC visant à cartographier le diagramme de phase QCD.