février 3, 2023

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Les théoriciens du nucléaire s’associent pour explorer les particules à « saveur lourde »

Des scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie participeront à une nouvelle collaboration théorique thématique financée par le Bureau de physique nucléaire du Département américain de l’énergie pour explorer le comportement des particules dites « lourdes en saveur ».

Ces particules sont constituées de quarks « charm » et « down », qui sont plus lourds et plus rares que les quarks « up » et « down » qui composent les protons et les neutrons dans les noyaux atomiques ordinaires. En comprenant comment ces particules exotiques se sont formées, ont évolué et ont interagi avec le milieu créé lors de puissantes collisions de particules, les scientifiques acquerront une compréhension plus approfondie de la forme unique de matière connue sous le nom de plasma quark-gluon (QGP) qui a rempli l’univers primitif.

Ces expériences se déroulent au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire de Brookhaven et au grand collisionneur de hadrons (LHC) du laboratoire européen du CERN. Les scientifiques accélèrent et écrasent les noyaux d’atomes lourds à des énergies suffisamment élevées pour libérer ensemble des quarks et des gluons similaires à la matière ordinaire. Ces collisions créent une soupe de quarks et de gluons un peu comme la matière qui était présente après le Big Bang, il y a environ 14 milliards d’années.

Une théorie puissante, connue sous le nom de chromodynamique quantique (QCD), décrit très précisément comment les quarks du plasma interagissent avec les gluons. Mais comprendre comment ces interactions fondamentales conduisent aux propriétés complexes du plasma – un milieu dense d’un billion de degrés qui s’écoule comme un liquide sans résistance – reste un défi majeur dans la recherche moderne.

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La théorie des saveurs lourdes (HEFTY) de la QCD Matter Topical Theory Collaboration, qui sera dirigée par Ralf Rapp de l’Université Texas A et M, cherche à combler cette lacune dans la compréhension en développant un cadre théorique rigoureux et complet pour décrire comment les particules de saveur lourdes interagissent avec QGP.

a déclaré Peter Petrichki, un théoricien du Brookhaven Lab qui sera le porte-parole de la collaboration avec Ramona Vogt du Lawrence Livermore National Laboratory du ministère de l’Énergie.

« Notre cadre fournira également une base pour l’utilisation de particules à saveur lourde comme sonde dans un futur collisionneur d’électrons et d’ions (EIC). Les futures expériences à l’EIC étudieront différentes formes de matière nucléaire froide qui sont des précurseurs du QGP en laboratoire. », a déclaré Petrichke.

Dans les collisions d’ions lourds au RHIC et au LHC, des quarks lourds magiques et bottom sont produits lors de la collision initiale des noyaux en collision. Leurs grandes masses provoquent un mouvement diffus qui pourrait servir de marqueur pour les interactions dans le QGP, y compris le processus de base des quarks se liant pour former des particules composites appelées hadrons.

« Le cadre doit décrire ces particules depuis leur production initiale lorsque les noyaux entrent en collision pour la première fois, jusqu’à leur propagation ultérieure par QGP et hadronisation », a déclaré Petreczky. « Ces descriptions doivent être incluses dans des simulations numériques réalistes qui permettent des comparaisons quantitatives avec des données expérimentales. »

Swagato Mukherjee du Brookhaven Lab sera co-investigateur principal de la collaboration et sera responsable des calculs QCD quadrillés. Ces calculs nécessitent certains des superordinateurs les plus puissants au monde pour manipuler le réseau complexe de variables impliquées dans les interactions quark-gluon.

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« Récemment, il y a eu des progrès significatifs dans les calculs QCD de réseau liés aux sondes de saveur QGP-lourdes », a déclaré Mukherjee. « Nous sommes à une époque passionnante où les installations de calcul exascale et le soutien grâce à une collaboration in situ nous permettront d’effectuer des calculs réalistes des quantités fondamentales nécessaires à l’interprétation théorique des résultats expérimentaux sur les sondes de saveur lourdes. »

En plus du réseau QCD, la collaboration utilisera une variété de méthodes théoriques, y compris une analyse statistique rigoureuse des données pour obtenir les propriétés de transport du QGP.

« Le cadre résultant nous aidera à démêler les processus microscopiques fondamentaux qui régissent les propriétés QGP, fournissant ainsi des informations sans précédent sur le fonctionnement interne de la matière nucléaire basée sur QCD », a déclaré Raab de Texas A&M, le chercheur principal du projet. .

La collaboration HEFTY recevra 2,5 millions de dollars du bureau des sciences du ministère de l’Énergie, Bureau of Nuclear Physics, sur cinq ans. Ce financement fournira un soutien partiel à six étudiants diplômés et trois stagiaires postdoctoraux dans 10 établissements, ainsi qu’un poste de cadre supérieur dans un laboratoire national. Elle créera également un poste de professeur junior sur un pont à la Kent State University.


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