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Nouvelles de la physique : les quarks ..réalités brulantes!

Publié le 26 juin 2011 par 000111aaa

J ai retenu pour cette semaine un article d une équipe internationale travaillant sur les quarks ,leur liberté asymptotique et la transition quarks >nucléons et je vous en donne la traduction . je vous parlerai la prochaine fois des deux articles suivants qui sont aussi passionnants …Faites comme d habitude cliquez directement sur les images si vous lisez l anglais scientifique couramment !

« Les quarks peuvent se libérer à deux milliards de degrés »

23 juin 2011 20 commentaires

quarks physics world.jpg

Le schéma de la dernière phase de la QCD ( la chromo dynamique quantique ).
Les physiciens des États-Unis, l'Inde et la Chine ont calculé que les quarks et les gluons peuvent se libérer de leur confinement à l'intérieur des protons et des neutrons à une température d'environ deux milliards de degrés Kelvin -   c était la température de l'Univers une fraction de seconde après le Big Bang. Les chercheurs sont arrivés à cette valeur en combinant les résultats des calculs sur supercalculateur et des expériences de collisions d'ions lourds.
Ils pensent que cela amène notre connaissance de la matière Quark sur des bases plus solides.

Selon le modèle du Big Bang, l'univers primitif a été rempli avec un «plasma quarks-gluons", dans lequel les quarks et les gluons (les porteurs de la force nucléaire forte) existaient en tant qu'entités individuelles. La force forte entre les quarks augmente rapidement avec la distance, ce qui signifie que les quarks ont besoin de porter de grandes quantités d'énergie pour rester libre - et donc le plasma ne peut exister qu’ à des températures extrêmement élevées. Lorsque le cosmos n'existait que depuis environ un millionième de seconde , il avait alors refroidi au point où les quarks et les gluons se sont combinés   pour former des particules composites telles que des protons et des neutrons. Cependant découvrir exactement quelle était cette température, n'a pas été facile à réaliser

La théorie de la chromodynamique quantique (QCD) explique les interactions des quarks et des gluons extrêmement bien à des distances très petites/ ce qui est pertinent avec les collisions qui ont lieu à l'intérieur du grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN à Genève. Mais à des distances plus grandes , caractéristiques d’un plasma quark-gluon, la QCD échoue car il devient impossible de rendre compte de tout l'ensemble des interactions qui comprennent de nombreuses paires virtuelles de quarks et d’ antiquarks. Aussi les physiciens utilisent alors une approximation de la théorie connue sous le nom » réseau QCD »( ou « treillis ») dans lequel la complexité des interactions de quarks et de gluons reste limitée en décomposant l'espace-temps global en morceaux plus maniables….
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L’ « Ancrage » du treillis QCD

Nu Xu de l'Université normale de Chine centrale et du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie et ses collègues ont « ancré » ( détrerminé ) la valeur de l'un des principaux paramètres du réseau QCD. Ils ont utilisé les résultats du détecteur STAR du Brookhaven Laboratory Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), qui met en collision des ions d'or ensemble, à des énergies permettant d atteindre la température à laquelle le plasma quark-gluon se "condense" pour former des hadrons individuels.
Un membre de l'équipe Bedangadas Mohanty de Cyclotron Centre a énergie variable à Kolkata, en Inde, explique que la connaissance de cette température permet de tracer le diagramme de phases de la QCD.
Ce schéma enregistre la transition normale , hadronique, de la matière vers la matière faite de quarks (ou éventuellement à un autre état exotique connu comme "supraconductivité de couleur") à condition que deux variables soient ajustées. Ce sont la température et le «potentiel chimique baryonique", cette dernière étant l'énergie nécessaire pour supprimer ou ajouter un proton ou un neutron à la matière en forte interaction. Il souligne que la thermodynamique peut être utilisée pour déterminer comment la température des transitions de phase de l'eau varie avec la pression mais que obtenir des valeurs absolues pour ces températures nécessite la mesure d'au moins un point fixe dans le diagramme de phase, disons par exemple le point d'ébullition à pression atmosphérique.
«De la même,manière " dit-il, "en QCD, nous voulons savoir quelle est la température de la transition de phase à potentiel chimique zéro."

Calcul des susceptibilités
Xu et ses collègues n'ont pas mesuré cette température directement mais elle dérive de la théorie et de l'expérimentation.
Sur le plan théorique, Sourendu Gupta et d'autres à l'Institut Tata de recherche fondamentale en Inde a calculé pour la première fois, les dérivées du deuxième, troisième et quatrième ordre du potentiel chimique baryonique par rapport à la pression, et a ensuite travaillé sur la façon dont ces "susceptibilités variables " devraient varier avec température. Pendant ce temps, le reste de la collaboration expérimentale a compté combien plus de protons que d'antiprotons avaient été été produits lors des millions de collisions d'ions d'or au RHIC et a tracé la variation de cette quantité mesurée. A la température de transition du plasma quark-gluon, certaines combinaisons de ces « susceptibilités » théoriques devraient devenir numériquement égales aux quantités particulières relatives à la forme des distributions mesurées.
Ainsi, en faisant varier les susceptibilités avec la température jusqu'à ce qu'elles égalent les quantités dérivées de l'expérience, les chercheurs sont arrivés à une valeur pour la température de transition recherchée .
La valeur obtenue par l'équipe de Xu était de 175 1 / -7 MeV, soit l'équivalent de 2 × 10 puissance 12 Kelvin, ce qui est exactement la valeur prédite par d'autres méthodes indirectes de ce fameux réseau QCD. «C'est la première fois qu'il y a eu une comparaison directe entre hautes températures théoriques de quarks et de matières et des expériences effectuées à haute énergie», explique Mohanty.
«Les gens avaient prédit ce que les susceptibilités théoriques devaient être, mais nous avions besoin de comparer ces prédictions avec l'expérience pour être sûr que la théorie est correcte."
DETERMINER un point critique
La prochaine étape, ajoute Mohanty, sera de déterminer un point critique au sein du diagramme de phases QCD. Sur un point critique, la frontière entre deux phases arrive à son terme et les propriétés des deux phases deviennent identiques. Il existe par exemple un point critique pour l'eau liquide et sa vapeur, , et les physiciens nucléaires croient que de même il en existe un pour la transition matière normale et quarks Trouver ce point critique impliquera la réalisation de collisions d'ions lourds sur toute une gamme d'énergies de collision, quelque chose, dit Mohanty, que le RHIC est idéalement adapté à faire.
Le détecteur ALICE du LHC, d'autre part, devrait être aussi capable de fixer la viscosité d’un plasma quark-gluon, car des mesures antérieures ont suggéré que le plasma présentait une viscosité plus faible que tout autre liquide dans l'univers.
David Evans, un physicien de l'Université de Birmingham et tête du groupe britannique de Alice, est impressionné par ces derniers travaux.
"Je pense que ces techniques permettrontaux théoriciens de s affiner et d'améliorer ce treillis QCD par des comparaisons directes avec l'expérience», dit-il, "et donc de fournir des calculs et des prédictions encore meilleurs à l'avenir."
Toutefois , Johann Rafelski de l'Université de l'Arizona croit que la recherche souffre de «graves lacunes», en particulier une absence d'analyse des erreurs systématiques.
Par exemple, dit-il, Xu et ses collègues n'ont pas tenu compte du fait que le détecteur ne compte qu'une fraction limitée de tous les produits de collision.
"L'erreur systématique totale est très probablement beaucoup, beaucoup plus grande que l'erreur statistique [tel que présenté]," dit-il, ajoutant que ses «collègues de la communauté travaillant sur ce treillis QCD croient que cette analyse présente des erreurs à chaque «étape».
La recherche est publiée dans Science 332 1525.
A propos de l'auteur
Edwin Cartlidge est un écrivain de science basée à Rome
20 commentaires a retrouver sur PHYSICS WORLD  à la fin de chaque article !

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