Les données du Grand collisionneur de hadrons du CERN remettent en question les modèles de structure des noyaux d'oxygène et de néon

Les physiciens de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), en analysant les nouvelles données de collisions du détecteur CMS du Grand collisionneur de hadrons, ont constaté que le comportement des noyaux d'oxygène et de néon lors de collisions à haute énergie ne correspond pas entièrement aux prédictions des modèles existants. Ce résultat indique que la compréhension scientifique de la forme et de la structure interne de certains noyaux légers doit encore être affinée.

Lors de collisions de noyaux à haute énergie, un plasma de quarks et de gluons se forme brièvement dans la zone de collision. Cet état de la matière se désintègre rapidement, mais les caractéristiques d'écoulement collectif de ses particules peuvent être utilisées pour déduire la géométrie de la collision et fournir indirectement des informations sur la structure nucléaire. Les chercheurs estiment que les collisions symétriques d'ions légers permettent de mieux contrôler les conditions initiales de collision et sont donc adaptées à l'étude des réponses collectives dans les petits systèmes.

Cette étude se concentre sur les ions oxygène-16 et néon-20, de masses similaires. Selon les calculs de structure nucléaire existants, le noyau d'oxygène-16 est considéré comme ayant une structure approximativement tétraédrique, tandis que le noyau de néon-20 est considéré comme ayant une forme semblable à une « quille de bowling ». Étant donné que les masses de ces deux types d'ions sont proches, les collisions oxygène-oxygène et néon-néon devraient présenter des évolutions hydrodynamiques similaires ; si des différences apparaissent dans le comportement d'écoulement, cela pourrait refléter des différences dans la géométrie de collision et la structure nucléaire.

L'équipe de recherche a traité les données de collisions de particules enregistrées par le détecteur CMS, avec une énergie de collision totale de 5,36 téraélectronvolts par paire de nucléons, et a comparé les résultats expérimentaux avec des simulations hydrodynamiques intégrant des calculs modernes de structure nucléaire. Les résultats montrent que les deux types de collisions présentent un écoulement elliptique et un écoulement triangulaire significatifs, et que les modes d'écoulement sont étroitement liés à la distance par rapport au centre du noyau lors de la collision ionique, ce qui correspond aux caractéristiques d'un liquide répondant à la géométrie de collision.

Dans l'expérience, les noyaux de néon présentent un signal d'écoulement elliptique plus fort que les noyaux d'oxygène dans la plupart des collisions. Si le noyau de néon est effectivement plus éloigné de la forme sphérique, ce phénomène est conforme aux attentes. Cependant, les résultats de l'écoulement triangulaire ne correspondent pas aux calculs du modèle, ce qui suggère que les modèles existants pourraient ne pas décrire avec précision la structure réelle ou la réponse dynamique des noyaux d'oxygène et de néon lors des collisions.

Les chercheurs indiquent que l'analyse de l'écoulement des particules peut fournir des indices pour déduire la structure des noyaux participant aux collisions, mais les données et modèles actuels restent insuffisants pour déterminer avec précision la forme du noyau de néon. À l'avenir, le développement de modèles théoriques plus complets pour les collisions d'accélérateurs pourrait aider à expliquer l'écart de l'écoulement triangulaire et à améliorer davantage la compréhension de la structure des noyaux légers.