Département de Physique Nucléaire

Créer un plasma de quarks et de gluons

Au LHC, des ions lourds (des noyaux de plomb) sont  accélérés à 99,99997% de la vitesse de la lumière, chacun véhiculant une énergie phénoménale proche de 300 billions d’électronvolts. Les collisions frontales de ces noyaux permettent de créer dans le laboratoire des gouttes de taille femtoscopique (un femtomètre = 10-15 mètre) d'un nouvel état de la matière nucléaire. À l'intérieur de ces gouttes, les particules telles que les protons et neutrons, et plus généralement les hadrons, n’existent plus. Leurs constituants fondamentaux, quarks et gluons, nagent dans un bain chauffé à plus d’un billion de degrés, soit dix mille fois la température au centre du soleil. Cette matière est dite « déconfinée » car la force véhiculée par les gluons, capable en temps normal de « coller » les quarks en édifices de hadrons, devient très affaiblie dans un milieu où règne une température si colossale. Pendant les premières microsecondes suivant le Big-Bang, l’Univers fut certainement dans cet état, aujourd'hui connu sous le nom de plasma de quark et de gluon (PQG).

la suppression du J/ψ comme signature du plasma

Depuis plus de vingt-cinq ans, les quarkonia charmés, en particulier le J/ψ, sont scrutés par les physiciens car la variation de leur taux de production devrait caractériser expérimentalement le PQG. Les quarkonia sont en effet très sensibles à la température du milieu produit par la collision d’ions lourds. Si la température est suffisamment élevée, une paire de quark-antiquark charmés initialement produite va se dissoudre dans le milieu chaud ambiant sans former d’état lié : c'est la suppression du J/ψ.

Les premiers résultats obtenus au SPS du CERN par l’expérience NA50 puis au RHIC du laboratoire de Brookhaven (USA), montrent clairement une suppression du J/ψ. Ils affichent pourtant le paradoxe d'une suppression d'ampleur similaire, malgré un PQG a priori plus chaud à RHIC qu'au SPS.

L’état lié J/ψ peut aussi être détruit par la matière nucléaire ordinaire dite « froide » (par opposition à la matière ultra-chaude constituant le PQG). Cette suppression peut être estimée par l’étude de collisions entre un proton et un noyau. Elle doit être retranchée des résultats du SPS et du RHIC afin de pouvoir déduire la part véritable des effets chauds. Quantifier la température atteinte au SPS puis à RHIC reste donc suspendu à une connaissance sans défaut des effets froids.

Les mesures qui viennent d’être effectuées au LHC apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes de suppression et de production du J/ψ. L’énergie disponible dans les collisions plomb-plomb au LHC est quatorze fois supérieure à celles réalisées au RHIC. La température du PQG y est donc fatalement plus grande. Une suppression du J/ψ au moins égale, sinon supérieure, à celle vue au RHIC était attendue. Le résultat obtenu par l’expérience ALICE contredit cette prédiction. La suppression du J/ψ est en effet de moindre ampleur que celle observée auparavant au RHIC et au SPS. Cette surprenante inversion pourrait trouver sa source dans un mécanisme additionnel de régénération des J/ψ dans le PQG : les quarks charmés seraient si nombreux aux énergies du LHC qu’ils pourraient recréer des J/ψ en s'associant par hasard, à la fin de la vie du plasma.

La suppression des J/ψ aurait-elle disparu au LHC ?

À cette question, l’expérience CMS a déjà apporté une réponse très claire en mesurant des J/ψ plus énergétiques. Leur suppression est plus forte que celle mesurée par ALICE et surtout que celle du RHIC, montrant que le PQG créé serait effectivement plus chaud. Les J/ψ détectables par l’expérience ALICE ont des énergies plus réduites et les mécanismes de régénération sont précisément censés être plus effectifs à basse énergie.

De surcroît, l’article de CMS ouvre le champ d’investigation pionnier sur les quarkonia fait de quarks beaux, les Υ (upsilons), également supprimés. La production du quark beau étant beaucoup plus rare que celle du charme, leur régénération ne devrait jouer qu'un rôle mineur, ce qui permettra d’utiliser la disparition des upsilons comme thermomètre du plasma au LHC.

Attente de la deuxième campagne d’ions lourds du LHC fin 2012

Les expérimentateurs des expériences ALICE et CMS restent néanmoins prudents, et attendent pour conclure les résultats des analyses en cours grâce à la deuxième campagne d’ions lourds du LHC qui contient vingt fois plus de données.

De plus, les futures collisions proton-plomb du LHC, en novembre 2012, permettront de vérifier le rôle de la matière nucléaire ordinaire.

Affaire à suivre de très près donc, car cette mesure n'est qu’une petite fraction de toute une longue série qui devra se dérouler au LHC et qui permettra de mieux caractériser le plasma de quark et de gluon.

Références :

- Collaboration ALICE, arxiv:1202.1383 soumis à Physical Review Letters.

Les équipes du LPC (Clermont-Ferrand), de l’IPN (Lyon), de Subatech (Nantes), de l’IPN (Orsay) et de l’IRFU (Saclay) ont été les principaux constructeurs du spectromètre à muon d’ALICE et ont dirigé ces analyses des quarkonia.

- Collaboration CMS, arxiv:1201.5069 soumis à Journal of High Energy Physics. L’équipe du LLR (Palaiseau) a dirigé les analyses des quarkonia.

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