Percer les secrets de la chaleur extrême : le boson Z explore un nouveau mécanisme de la « matière la plus chaude de l'univers »

À l'aide de la sonde du boson Z du Grand collisionneur de hadrons (LHC), les scientifiques ont révélé de nouveaux détails sur la manière dont la matière la plus chaude de l'univers — le plasma quark-gluon (QGP) — absorbe l'énergie, tout en remettant en question les modèles théoriques existants. Cette étude fournit des indices importants pour comprendre l'état de l'univers primordial immédiatement après le Big Bang.

Pour mieux comprendre le QGP, les physiciens ont astucieusement utilisé le boson Z comme messager. Comme le boson Z n'interagit pas avec le QGP, il peut traverser le plasma presque sans être affecté, enregistrant avec précision les informations de l'état initial. En analysant la différence de moment entre les muons issus de la désintégration du boson Z et leurs jets de recul, les scientifiques ont pu déterminer l'énergie perdue par les quarks en traversant le QGP.

Cette étude a utilisé les données de collisions proton-proton et plomb-plomb collectées par le détecteur CMS pour mesurer avec précision le paramètre de déséquilibre de moment x_Zj. Grâce à la technique de « dépliage » pour éliminer les erreurs du détecteur, les chercheurs ont pu comparer directement les résultats expérimentaux aux prédictions théoriques. Les résultats montrent que les quarks subissent une perte d'énergie significative en traversant le QGP, ce qui entraîne une réduction du nombre et du moment des jets associés.

Plus important encore, l'effet d'atténuation des jets observé par l'équipe CMS remet en question les modèles théoriques existants. Les modèles actuels les plus avancés parviennent à bien expliquer les jets présentant une perte d'énergie modérée, mais sous-estiment les phénomènes d'atténuation intense, ce qui crée un écart avec les mesures expérimentales réelles.

La figure présente le rapport du moment des jets au moment du boson Z (x Zj ) dans les collisions plomb-plomb et proton-proton après dépliage, affiché sous forme de rapport, et comparé aux dernières prédictions théoriques des effets du plasma quark-gluon (lignes pointillées colorées). La figure montre un effet d'atténuation des jets significatif et indique que des recherches théoriques supplémentaires sont nécessaires pour mieux décrire les données expérimentales.

Raffaele Del Gatti, doctorant à l'Université de Trieste, a déclaré : « Grâce à la particularité du boson Z, nous pouvons connaître avec précision l'énergie initiale du quark de recul. Cependant, la fréquence de survie des quarks fortement atténués observée est supérieure aux prédictions des meilleurs modèles actuels. Cela indique que notre compréhension des mécanismes par lesquels le plasma transfère l'énergie aux quarks reste incomplète. »

À l'avenir, avec la mise en service du Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) et l'accumulation de davantage de données, ainsi que des études approfondies sur la structure interne des jets et leurs différentes tailles, les scientifiques espèrent révéler plus complètement les mécanismes de fonctionnement du QGP et mieux comprendre les interactions fondamentales de l'univers primordial.