Des chercheurs ont découvert que l'entropie reste constante pendant la transition d'un état chaotique de quarks-gluons vers des particules stables dans les collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons. Cette stabilité inattendue constitue une signature directe du principe d'unitarité de la mécanique quantique. Cette découverte, basée sur des modèles affinés et des données du LHC, remet en question les intuitions initiales sur le désordre du processus.
Les collisions de protons à haute énergie au Grand collisionneur de hadrons (LHC) créent un état bref et dense de quarks et de gluons, ressemblant à une mer bouillonnante de particules, avant de se refroidir en hadrons détectables. Intuitivement, ce passage d'une phase initiale apparemment chaotique à une phase ultérieure plus ordonnée devrait modifier l'entropie du système, mesure du désordre. Cependant, les données des expériences du LHC montrent que l'entropie reste inchangée tout au long, défiant les attentes.
Le prof. Krzysztof Kutak et le Dr. Sandor Lokos de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie ont publié leur analyse dans Physical Review D. Ils ont affiné les modèles de dipôles, qui représentent les gluons comme des paires quark-antiquark avec des charges de couleur, pour mieux décrire l'évolution du système de gluons. « Les modèles de dipôles basés sur le nombre moyen d'hadrons produits dans une collision nous permettent d'estimer l'entropie des partons », a expliqué le prof. Kutak.
Il y a deux ans, Kutak et le Dr. Pawel Caputa de l'Université de Stockholm ont amélioré le modèle en intégrant des effets pertinents à des énergies plus basses et en s'inspirant de la théorie de la complexité. Testé contre les données des expériences ALICE, ATLAS, CMS et LHCb sur des énergies de 0,2 à 13 téraélectronvolts, le modèle généralisé a surpassé ses prédécesseurs. « Nous montrons que le modèle de dipôles généralisé décrit les données existantes plus précisément que les modèles de dipôles précédents et fonctionne bien sur une plage plus large d'énergies de collision de protons », a déclaré le prof. Kutak.
Cette constance s'aligne sur la formule de Kharzeev-Levin et provient de l'unitarité de la mécanique quantique, qui préserve la probabilité et permet des processus réversibles. « L'unitarité de la mécanique quantique est quelque chose que les étudiants en physique apprennent... c'est une chose de traiter une théorie qui présente une caractéristique donnée au niveau des quarks et des gluons... et une autre de l'observer dans des données réelles », a noté le prof. Kutak.
Les validations futures viendront de la mise à niveau du LHC améliorant le détecteur ALICE pour des études de gluons plus denses et du Collisionneur électron-ion en construction au Brookhaven National Laboratory, où les collisions électron-proton sonderont les systèmes de gluons plus directement.