Les collisions centrales entre noyaux lourds sont l’outil privilégié pour explorer le comportement de la matière nucléaire dans des domaines inhabituels de température et de densité. La région de la transition de phase liquide-gaz est étudiée à basse énergie avec le multidétecteur Indra. La transition vers un nouvel état appelé plasma de quarks et de gluons est recherchée activement à haute énergie dans l’expérience Phenix. L’étude du plasma sera poursuivie à énergie encore plus élevée avec l’expérience Alice, pour laquelle de grandes chambres à fils à cathodes segmentées sont en cours de construction au Dapnia.

Collisions centrales noyau-noyau

Réaliser des collisions centrales entre noyaux lourds est le seul moyen à notre portée pour former dans le laboratoire des échantillons de matière nucléaire soumis à des conditions de température et de pression très éloignées de celles qui règnent au sein des noyaux atomiques. Ces conditions pourraient se rapprocher de celles régnant dans des objets astrophysiques comme les étoiles à neutrons ou de celles qui prévalaient pour l’Univers tout entier quand il n’avait que quelques microsecondes. En dépit de la durée extrêmement brève de ces collisions, de la taille minuscule de ces échantillons (deux noyaux lourds, de l’ordre de 400 nucléons), et bien qu’on n’observe que l’état final dans les détecteurs, il y a de bonnes raisons théoriques de penser qu’il est possible d’étudier la succession d’états suivis au cours du temps par ces échantillons, ou au moins leur état le plus chaud et le plus dense. Il suffit d’ailleurs que les nucléons subissent quelques collisions pour que le système atteigne un état proche de l’équilibre thermodynamique grâce à l’interaction forte. Parmi les très nombreuses observables qu’il est possible de mesurer dans l’état final, théoriciens et expérimentateurs s’attachent à trouver les variables « robustes » qui ont gardé une certaine mémoire de l’état le plus chaud et le plus dense qui les intéresse.
Dans ce domaine de recherche, les physiciens ne sont pas maîtres des conditions thermodynamiques atteintes. C’est la Nature qui décide. On peut changer l’énergie des collisions ou la taille des noyaux. On peut aussi examiner le comportement des observables en fonction du paramètre d’impact des collisions, dans la mesure où on arrive à les classer en fonction de celui-ci, à l’aide de variables dites de centralité. Le milieu à étudier et les sondes utilisées pour l’examiner sont, en outre, le plus souvent de même nature.
Deux équipes du Dapnia se sont investies dans ces recherches, à relativement basse énergie pour explorer la transition de phase liquide-gaz de la matière nucléaire, et à très haute énergie pour atteindre et étudier une nouvelle phase de la matière nucléaire appelée plasma de quarks et de gluons.

Transition de phase liquide-gaz

La force nucléaire qui lie les nucléons dans un noyau présente de fortes analogies avec la force de van der Waals qui lie les molécules dans un fluide. Selon les lois de la thermodynamique classique des systèmes macroscopiques (c.-à-d. dont le nombre de constituants est très grand), l’équation d’état d’un tel fluide présente une transition de phase du type liquide-gaz. On peut donc s’attendre à ce que la matière nucléaire présente une telle transition d’ailleurs prédite par tous les modèles utilisant une interaction réaliste. Malheureusement, nous ne disposons que d’infimes échantillons de matière nucléaire, les noyaux atomiques. La taille très réduite de ces systèmes joue un rôle fondamental dans leur évolution thermodynamique et conduit à des comportements inattendus, comme une capacité calorifique négative (le système refroidit lorsqu’on lui injecte de l’énergie).
Par collisions de noyaux lourds, il est possible de faire varier l’énergie déposée dans le système composite constitué de la cible et du projectile, et donc en principe de déterminer l’équation d’état de la matière nucléaire.

Auprès des accélérateurs Ganil à Caen et SIS du GSI à Darmstadt, les physiciens du Dapnia œuvrent au sein de la collaboration Indra, avec des énergies dans le système du centre de masse nucléon-nucléon (√sNN) égales à quelques dizaines de MeV. Plusieurs expériences ont eu lieu et sont en cours d’analyse, de façon à évaluer le rôle des différents paramètres dans l’état initial (énergie incidente, taille du système, asymétrie de masse, asymétrie neutron/proton).
Dès que l’énergie déposée dans le système composite atteint 3 MeV par nucléon, des effets de compression-expansion se manifestent et il apparaît un nouveau mode de désintégration, la multifragmentation, qui culmine vers 8 MeV. Ce mode de désintégration est-il la manifestation d’un changement d’état ? Au cours des huit dernières années, les preuves d’un tel changement de phase se sont accumulées : distribution en loi de puissance de la masse des fragments à la transition, point d’inflexion dans la courbe calorifique (température en fonction de l’énergie d’excitation), capacité calorifique négative, changement d’échelle dans les fluctuations de la taille du plus gros fragment, distributions bimodales des fragments.
Actuellement, un gros effort est déployé pour évaluer la robustesse de ces signaux et leur cohérence. Des progrès substantiels dans ce domaine n’ont pu être accomplis qu’à travers un couplage très fort entre expérience et théorie, et des développements récents en thermodynamique des systèmes finis.

Le plasma de quarks et de gluons

À des énergies √sNN allant d’une dizaine de GeV à une dizaine de TeV, il s’agit d’étudier la transition de phase vers un nouvel état de la matière, appelé plasma de quarks et de gluons. Cet état est prédit par la chromodynamique quantique – théorie des interactions fortes –, au-delà d’une température d’environ 170 MeV, dans le cadre de calculs numériques sur réseaux. Dans cet état, les quarks et les gluons ne sont plus confinés à l’intérieur des objets neutres vis-à-vis de la couleur que sont les hadrons, mais peuvent se mouvoir librement sur de grandes distances. En cosmologie, il est aussi admis que l’Univers a dû passer par cette transition de phase à l’âge de quelques microsecondes.

Le Dapnia est engagé dans l’expérience Phenix, en cours au Brookhaven National Laboratory (BNL) aux États-Unis sur le collisionneur Rhic à éradic;sNN = 200 GeV, et dans l’expérience Alice au Cern à Genève sur le collisionneur LHC à √sNN = 5,5 TeV, où les premières mesures sont prévues en 2007. La première expérience devrait permettre de mettre en évidence ce plasma, la seconde de l’étudier en détail. Sur les deux expériences les physiciens du Dapnia se focalisent sur la production des résonances à charme caché (famille du J/Ψ) ou à beauté cachée (famille de l’Υ). Ces résonances sont des états liés quark-antiquark. Leur production devrait être réduite si un plasma de quarks et de gluons est formé, car dans ce milieu très dense et coloré, les interactions quark-antiquark sont écrantées par les charges de couleur de leur environnement et deviennent insuffisantes pour former ces états liés. Cette « suppression » a été prédite en 1986. Des résultats allant dans ce sens ont déjà été obtenus au Cern à √sNN = 17 GeV. Ces résonances sont étudiées à travers leur désintégration en paires de muons de charges opposées, eux-mêmes étant détectés dans des chambres à fils à cathodes segmentées situées de part et d’autre ou à l’intérieur d’un spectromètre magnétique.

Pour l’expérience Phenix, les premiers résultats concernant la production du J/Ψ ont été obtenus pour les collisions proton-proton et deuton-or, considérées comme des systèmes de référence indispensables pour évaluer la suppression attendue dans les collisions or-or. Les premières mesures de collisions or-or, avec trop peu d’événements pour permettre un travail significatif sur le J/Ψ, ont toutefois offert des résultats très intéressants. En particulier, on a pu noter que la production de pions neutres à grande impulsion transversale dans les collisions les plus centrales entre noyaux d’or est diminuée d’un facteur pouvant aller jusqu’à 5 par rapport à la production équivalente dans les collisions proton-proton. Cette suppression est tout à fait compatible avec les prédictions faites pour ce type de particules quand elles doivent traverser un milieu très dense et coloré comme le plasma de quarks et de gluons.

Pour l’expérience Alice, un quart des modules à assembler pour former les plus grandes chambres du spectromètre à muons est en cours de construction à Saclay, après des tests de validation très concluants effectués au Cern.