Nouvelles preuves expérimentales de la restauration de la symétrie chirale à haute densité de matière

14 avril 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Le vide QCD (c.-à-d. l'état fondamental du vide dans le régime de la chromodynamique quantique) est théoriquement caractérisé par la présence de valeurs d'attente non nulles de condensats, tels que des gluons et des paires quark-antiquark. Au lieu d'être associé à une absence de particules et interactions dans un espace vide, la théorie de la physique considère cet état comme rempli des soi-disant condensats, qui ont les mêmes numéros quantiques que le vide et ne peuvent pas être directement observés. 

Alors que de nombreux physiciens théoriciens ont discuté des propriétés du vide QCD, la validation expérimentale de ces prédictions théoriques s'est avérée jusqu'à présent difficile, simplement parce que les condensats dans cet état sont insaisissables et ne peuvent pas être directement détectés. Une lueur d'« observation » expérimentale peut être trouvée dans les prédictions théoriques des propriétés du vide QCD.

Les théories prédisent que le condensat peut diminuer à haute température et/ou à haute densité de matière en raison de la restauration partielle de la soi-disant symétrie chiral. Pour prouver ces théories, certains chercheurs ont collecté des mesures lors de collisions ultra-relativistes de haute énergie de noyaux lourds. D'autres efforts dans ce domaine ont tenté d'examiner les propriétés du vide QCD en mesurant des « effets de milieu ». Ce sont essentiellement des effets qui modifient le vide QCD et sa structure, en réponse à la présence d'une forte densité de matière telle que la matière nucléaire.

Récemment, des chercheurs du Centre RIKEN Nishina pour la science basée sur l'accélérateur, de l'Université des femmes de Nara, de l'Institut allemand de recherche sur les ions lourds et d'autres instituts dans le monde ont entrepris de rassembler des informations expérimentales sur les effets de milieu dans les noyaux à des températures plus basses. Dans leurs expériences, décrites dans un article de Nature Physics, ils ont utilisé des techniques de spectroscopie pour mesurer les états des atomes pioniques in (Sn), des systèmes liés constitués d'un pion et d'un noyau atomique.

« L'existence de la structure cachée du vide est l'une des questions de physique les plus importantes de l'époque moderne », a déclaré à Phys.org Kenta Itahashi, l'un des chercheurs ayant mené l'étude. « La structure 'non triviale' du vide a été discutée théoriquement pendant longtemps. Par exemple, Nambu a décrit la rupture spontanée de la symétrie du vide. Malgré les nombreuses théories associées, les preuves expérimentales dans ce domaine ont été jusqu'à présent limitées ».

L'objectif principal du travail récent d'Itahashi et de ses collègues était de préciser davantage la structure cachée du vide QCD et son évolution au cours de l'histoire de l'univers. Selon les prédictions théoriques, la condensation de paires quark-antiquark (c.-à-d., des condensats chiraux) dans cet état de vide briserait la symétrie chirale du vide.

À haute température et/ou haute densité de matière, la symétrie chirale serait partiellement restaurée, ce qui devrait donc théoriquement réduire la valeur attendue des condensats chiraux. Dans leurs nouvelles expériences, l'équipe a cherché à déduire la valeur attendue de paires quark-antiquark dans le vide QCD en mesurant les atomes pioniques à haute densité et à basse température avec des techniques de spectroscopie de haute précision.

« Nous avons mesuré des systèmes liés de noyaux pioniques de manière spectroscopique », a expliqué Itahashi. « Notre spectroscopie fournit ainsi des informations complémentaires qui peuvent être analysées conjointement avec les résultats expérimentaux passés se concentrant sur les collisions de noyaux lourds. Comme dessiner un diagramme de phase de l'eau ou des matériaux supraconducteurs, nous souhaitions dessiner un diagramme de phase du vide sur un plan de température et de densité. En un sens, la matière nucléaire se comporte comme une impureté chargée dans le vide ».

Les chercheurs ont constaté que leurs mesures étaient cohérentes avec la rupture spontanée de la symétrie chirale du vide QCD décrite par la théorie de Nambu. Combiné aux résultats d'une étude pionnière qu'ils ont menée il y a près de deux décennies, ce travail fait avancer la compréhension actuelle du vide QCD, de la rupture et de la restauration de la symétrie chirale et de la manière dont cela affecte la valeur attendue des condensats chiraux à haute température et/ou haute densité de matière.

'As far as we know, there is currently no information on the order parameter at a high-matter density that was as accurately determined as ours,' Itahashi said. 'In our next studies, we wish to investigate the density dependence of the chiral symmetry. We already plotted the first point of the chiral order parameter on the density axis and we now plan to study the density derivative by making a systematic measurement. In addition, we also wish to develop a new pionic atom spectroscopy technique to reach higher precision and to enable the study of pionic atom formation with radioisotopes.'

Journal information: Nature Physics

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