05 novembre 2013
Le charme coule à flots au LHC !

En reproduisant des conditions comparables à celles qui régnaient dans les premiers instants de l’Univers, on s’attend à créer un nouvel état de la matière, le plasma de quarks et de gluons. Ces conditions extrêmes de température et de densité d’énergie sont réunies lors des interactions d’ions lourds au LHC. Très dense et très chaud, le milieu formé est réduit à  une « soupe » où ne figurent que les constituants les plus élémentaires de la matière, un plasma de quarks et de gluons (QGP). L’Univers serait passé par cette phase quelques microsecondes après le Big Bang. ALICE avait déjà révélé l’existence de mouvements collectifs au sein du plasma, des particules légères s'entraînant les unes les autres dans une direction privilégiée. L’énergie atteinte dans les collisions d’ions plomb au LHC est telle que des particules très massives (comme les quarks charmés composant les J/psi) peuvent être entrainées et produire ainsi un taux de J/psi plus important dans la direction d'écoulement du plasma. C'est ce flot qui vient d’être observé par la Collaboration ALICE!

 

 

Fig. 1 : Vue schématique d'une collision non-­frontale
de deux noyaux.

Le QGP est un milieu si chaud que les protons, neutrons et autres hadrons ne peuvent plus garder emprisonnés en leur sein leurs constituants  élémentaires, les quarks et les gluons, qui sont alors deconfinés. Lors des collisions d’ions lourds ultrarelativistes  au LHC du CERN, les conditions de densité d'énergie et de température sont réunies pour créer un QGP. Les partons (quarks et gluons) constituants  de ce milieu, atteindront par de multiples  interactions  entre eux, l'équilibre thermodynamique. Néanmoins, comme aux origines de l’Univers, le milieu créé est dynamique et, étant  en  expansion, il se refroidit.  En  une dizaine de femtosecondes, l’éphémère QGP va alors « s’hadroniser », les quarks et gluons finissant à nouveau confinés au sein des hadrons. Le gaz hadronique ainsi formé poursuit son expansion (et son refroidissement inévitablement associé) jusqu’au point où cesse toute interaction entre hadrons. Les particules volent alors librement jusqu’aux détecteurs, en particulier ceux d’ALICE.

Le J/psi est un état lié composé par un quark charmé (c) et son antiquark (cbar). Le charme étant très lourd, les quarks c et cbar ne sont produits, par paires, qu’au tout début de la collision où est disponible un maximum d’énergie. Ainsi, ce sont des observateurs privilégiés de toute évolution ultérieure! Une petite fraction de ces paires de quarks c-cbar se lieront rapidement pour former des J/psi, qui constitueront alors des sondes idéales du QGP.

 

Fig. 2 : Simulation d'une collision d'ions lourds ultra-­relativistes vue dans le plan transverse. L’accumulation de particules sur l’horizontale indique une émission azimutale des particules dans une direction privilégiée, celle du plan de
la réaction, due au flot elliptique.

En exploitant les données enregistrées lors des collisions de noyaux de plomb, ALICE a réalisé une première mesure importante du taux de production du J/psi, publiée en 2011. ALICE y révèle qu’un mécanisme additionnel et inédit de formation du J/psi semble voir le jour aux énergies sans précédent du LHC: la régénération par combinaison de quarks c et cbar deconfinés et thermalisés au sein du QGP. En effet, aux énergies du LHC, il devient possible de produire de nombreuses paires c-­cbar au début de la collision. À chaque fois qu’une paire se sépare, les c et c-­bar se déplacent au hasard, au gré des nombreuses interactions avec les autres éléments du plasma (ce qui les thermalise). Et vu leur grand nombre (typiquement la centaine dans les collisions frontales), la probabilité que deux d’entre eux se rencontrent, puis forment un J/psi, devient tout-­à-­fait appréciable. Ainsi, les J/psi ne sont plus produits uniquement au début de la collision mais peuvent aussi être produits tout au long de l’évolution du QGP.

Lors des collisions non frontales (voir la figure 1), la zone de recouvrement des deux noyaux présente nécessairement une forme ellipsoïdale (comme une amande), plus allongée hors que dans le plan de la réaction (défini comme le plan contenant l’axe des faisceaux et le vecteur reliant le centre des deux noyaux). En raison de cette asymétrie spatiale, la pression interne du QGP orientée vers « l’extérieur » s’avère maximale dans le plan de la réaction.  Elle est exercée par le biais des interactions entre les constituants du milieu, qui sont bien plus nombreux dans le plan de la réaction. Cette pression crée ainsi un écoulement des partons et donc des hadrons dans une direction azimutale privilégiée, celle du plan de la reaction. En quelques mots, c’est le flot elliptique. Ceci est illustré par la figure 2, issue d’une simulation de collisions d’ions lourds, où une direction privilégiée d'émission des particules est clairement visible.

 

Fig. 3 : Mesure du flot elliptique du J/psi dans les collisions de noyaux de plomb au LHC, les barres indiquant la taille des incertitudes statistiques, et les rectangles celles
des incertitudes systématiques

Le flot elliptique est mesuré à partir de la distribution angulaire en azimut des particules émises dans le plan transverse à l’axe des faisceaux. Il est quantifié par le coefficient v2. Un coefficient v2 = 0 indique une émission isotrope et donc l'absence de flot elliptique. Il faut souligner que la mesure est particulièrement difficile dans le cas des J/psi. En effet, il faut un grand nombre de particules pour  peupler de manière satisfaisante l’ensemble de la distribution angulaire. Et c’est une condition nécessaire pour déterminer sans ambiguïté la forme de celle-­ci. Cette condition n’est pas évidente à remplir pour des particules relativement lourdes, et donc plus rares, comme le J/psi.

 

Les nouveaux résultats de la collaboration ALICE montrent un v2 du J/psi qui dévie de zéro pour des énergies intermédiaires du J/psi (voir la figure 3). La magnitude et la dépendance  avec l’impulsion transverse (pT) du v2  du J/psi observé sont typiques des modèles de régénération du J/psi. Dans le cadre de ces modèles, les quarks charmés seraient aussi charriés lors de l’écoulement collectif du QGP. Les J/psi, formés à partir de ces quarks charmés, hériteraient alors du v2  développé au niveau sous-­jacent. Cette mesure remarquable de part son implication sur la physique du QGP et sa difficulté technique vient confirmer les premiers résultats d’ALICE sur la suppression du J/psi. En effet, ALICE avait mesuré une suppression du J/psi plus faible au LHC qu’au RHIC alors que le contraire était attendu à cause de la température plus élevé du QGP au LHC. La production additionnelle de J/psi par régénération était une explication possible caractérisable par un flot elliptique du J/psi. C’est ce flot que vient de mettrre en évidence l'expérience ALICE, ce qui étaye la réalité du mécanisme de régénération. Notre équipe à l’IRFU/SPhN a été à l’origine de cette étude et a joué un rôle directeur depuis le début de l’analyse jusqu’à la publication des résultats.

 

En 2015, des prises de données en collisions de noyaux de plomb à plus haute énergie sont prévues, peu après le redémarrage du LHC. Avec une statistique notablement accrue, elles promettent une mesure du v2 du J/psi nettement plus précise et donc plus discriminante envers les différents modèles existants.

 

Ces  résultats  viennent d’être publiés dans Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 111, 162301 (2013)].


Contact : Javier Castillo Castellanos

 

Maj : 22/11/2013 (3390)

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