Plasma de quarks et de gluons

Le diagramme de phase de QCD. Le plasma de quarks et gluons et atteint pour des hautes températures.
Image par BNL/RHIC

L’interaction entre quarks et gluons est décrite par la théorie de la Chromodynamique Quantique (QCD). Cette interaction, dite forte, les confine à l'intérieur des protons, neutrons et autres hadrons. Lorsqu’un hadron est cassé, les quarks et les gluons le constituant, au lieu de se libérer, se recombinent avec d'autres quarks et gluons fraichement crées pour en former de nouveaux hadrons aux propriétés différentes. Cependant, pour des températures très élevées, la QCD prédit la diminution progressive de la force forte au point que le confinement ne s’appliquerait plus. La matière serait alors dans un nouvel état de quarks et de gluons libres, appelé plasma de quarks et de gluons (QGP).

Environ un millionième de seconde après le Big Bang la température de l’Univers était environ 100.000 fois supérieure à celle régnant au centre du soleil. Les conditions nécessaires à la présence du QGP y étaient réunies. Depuis l’Univers s’est refroidit et le plasma a donné lieu aux hadrons que l’on observe aujourd’hui. Depuis trente ans, des expériences cherchant à reproduire ces conditions en laboratoire se succèdent du SPS au LHC au CERN près de Genève en passant par le RHIC au BNL près de New York. Des noyaux d’atomes lourds, e.g. de Plomb, y sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière suffisante pour créer, lors de la collision entre noyaux, un QGP si petit (environ la taille d’un noyau, 10-15 mètres) et qui se refroidit si vite (environ 10-23 secondes après la collision) qu’il est impossible de l’observer directement.

D'énormes détecteurs de particules sont utilisées afin de reconstruire les milliers des particules résultant de l'hadronisation du QGP ainsi que de celles, appelées sondes dures, qui sont créées aux tous premiers instants de la collision, avant même que le QGP soit formé, et qui l'auront donc traversé. L'étude des débris de la collision permettent de remonter à la formation du QGP pour en étudier ses propriétés.

 

L'Irfu s'intéresse plus particulièrement à l'étude des quarkonia. Ce sont des particules rares et lourdes constituées d’un quark et son anti-quark, charme pour le J/ψ et beauté pour le Υ. Les quarkonia sont parmi les sondes dures ayant traversé le QGP. L'Irfu a participé à l'expérience PHENIX auprès du RHIC et est actuellement fortement impliqué dans l'expérience ALICE auprès du LHC.

 

Maj : 10/12/2013 (34)

 

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