Après trois années d'interruption pendant LS2 (Long Shutdown 2), le grand collisionneur de hadrons LHC du CERN a redémarré officiellement le 5 juillet 2022 en produisant les premières collisions de protons à l'énergie record de 13,6 TeV (milliers de milliards d'électronvolts). Ce démarrage en douceur se poursuivra dans les semaines à venir avec un accroissement progressif de l’intensité des faisceaux. La troisième période de prise de données (Run 3) se déroulera sur 4 années et apportera une statistique inégalée. ALICE était au rendez-vous des premières collisions après une jouvence très importante de son électronique, de ses systèmes de lecture et d'acquisition ainsi que l'ajout de nouveaux détecteurs. L’Irfu est depuis longtemps fortement impliqué dans le spectromètre à muons vers l’avant d’ALICE, en particulier les chambres de trajectographie MCH (Muon Chambers), et maintenant également dans le nouveau trajectographe à pixel de silicium MFT (Muon Forward Tracker).

Les collisions d'ions lourds aux vitesses ultra-relativistes des grands accélérateurs de particules permettent de créer un plasma de quarks et de gluons, surprenant état de la matière obéissant aux lois des fluides presque parfaits pour 10 fm/c = 3 10⁻²³s (c'est à dire avec une petite viscosité). Bien que cet état de la matière soit l'objet d'intenses études expérimentales, l'étude de l'émergence de ce fluide dans les collisions d'ions lourds à partir des gluons pendant le premièr fm/c échappe à l'exploration directe aujourd'hui. Au sein de la collaboration Gluodynamics du Labex Physique des 2 Infinis et des Origines (P2IO), des chercheurs de l'Irfu, de l'IPhT et de l'Université de Bielefeld (Allemagne) ont mis en évidence des observables sensibles aux premiers instants (≈ fm/c) de ces collisions d'ions lourds. Les résultats théoriques indiquent que la création des dileptons porte de l'information sur l'émergence de l'hydrodynamique et la création des quarks dans le plasma Quark gluon (PQG). La collaboration a abouti à une première publication dans Physics Letters B [1] et une deuxième a été soumise à Nuclear Physics A [2].

L'édition 2020 de la conférence sur la physique auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHCP) s’est déroulé du 25 au 30 mai 2020. En raison de la pandémie de COVID-19, la conférence, qui devait se tenir initialement à Paris, a eu lieu entièrement en ligne. La collaboration ALICE y a présenté de nouveaux résultats montrant comment les particules charmées – celles qui contiennent des quarks, composants élémentaires de la matière, dits c – peuvent jouer le rôle de « messagers » du plasma de quarks et gluons, qui aurait existé dans l'Univers primordial et qui peut être recréé lors de collisions d'ions lourds dans le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). En étudiant les particules charmées, les scientifiques peuvent en savoir davantage sur les hadrons, particules dans lesquelles les quarks sont liés par des gluons, ainsi que sur le plasma de quarks et gluons, état de la matière dans lequel les quarks et les gluons ne sont pas confinés à l'intérieur des hadrons. Ces nouveaux résultats sont le fruit d’une analyse menée dans le cadre d’une thèse actuellement en cours au DPhN.

Après plus de quatre ans de travail de recherche et développement, conception et fabrication, le MFT (Muon Forward Tracker), un nouveau détecteur qui va équiper l’expérience ALICE au LHC, voit sa construction finalisée et en cours de commissioning au Cern. Dans le but de limiter autant que possible la quantité de matière traversée par les particules, la fabrication de ce détecteur a nécessité le développement de nombreuses techniques et procédures innovantes, en particulier dans l’intégration de capteurs silicium sur des circuits hybrides flexibles appelés échelles dont l’Irfu a eu la responsabilité au sein du projet. Pour fabriquer ces 500 échelles du MFT, deux années ont été nécessaires et une très longue séquence d’opérations a fait l’objet de nombreuses études sous la responsabilité de l’équipe de l’Antenne Irfu au Cern. La production de ces échelles vient de se terminer avec succès et c’est donc le temps d’en faire un court bilan.

Quelques microsecondes après le Big Bang, l’Univers serait passé par un état où seuls les constituants les plus élémentaires de la matière y figurent : le plasma de quarks et de gluons (QGP). Le QGP est créé lors de collisions d’ions lourds ultra relativistes. En particulier au LHC (CERN), le QGP s’écoule comme un fluide emportant tout sur son passage. Ainsi, toutes les particules, légères, étranges ou charmées mesurées jusqu’à maintenant apparaissent comme emportées par le même fluide, ce qui témoigne de la force des interactions entre constituants du QGP. La collaboration ALICE au LHC, avec une contribution décisive des équipes de l’Irfu, vient de publier dans la prestigieuse revue Physical Review Letters la première mesure du flot elliptique de l’Υ(1S) (particule composée d’un quark beau et de son antiquark). Cette résonance apparaît comme la première particule au LHC ne se déplaçant pas avec le fluide. Ce résultat pionnier ouvre la voie à des études plus approfondies du QGP.

Dans le cadre des améliorations de l’expérience ALICE auprès de l’accélérateur LHC du CERN, un nouveau trajectographe, appelé Muon Forward Tracker (MFT), est en cours de fabrication. Ce détecteur, dont l’Irfu est l’un des contributeurs principaux, est constitué de capteurs pixélisés en silicium micro-connectés à des circuits imprimés flexibles qui sont eux-mêmes collés sur des disques concentriques. Le prototype d’un de ces disques a été testé pour la première fois sous faisceau au CERN pendant l’été 2018. Le MFT permettra de déterminer le point d’origine des muons détectés par ALICE, ouvrant ainsi le champ à un nouveau programme de physique concernant l’étude du plasma de quarks et de gluons (QGP).

Lors des collisions d’ions lourds ultra-relativistes auprès de l’accélérateur LHC du CERN, un nouvel état de la matière est formé : le plasma de quarks et de gluons (QGP). Il s’agit d’une sorte de “soupe” très dense et très chaude où ne figurent que les constituants les plus élémentaires de la matière. Quelques microsecondes après le Big Bang, l’Univers serait passé par cet état. A cause des interactions entre ses constituants, le QGP s’écoule tel un fluide. Au LHC, les interactions entre constituants du QGP sont si fortes que même des objets aussi massifs que les quarks charmés sont emportés par cet écoulement, comme l’avait suggéré la mesure du flot du J/ψ (particule composée d’un quark charme et de son antiparticule) d’ALICE lors de la première campagne du LHC (voir fait marquant 2013). Ce résultat vient d’être confirmé par la collaboration ALICE grâce aux données de la nouvelle campagne du LHC (2015-2018). La précision obtenue a permis de mettre en évidence la nécessité d’inclure de nouveaux mécanismes dans les modèles théoriques. Le groupe de Saclay a joué un rôle clé dans l’analyse de ces données.

Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature Physics, la collaboration Alice rapporte que les collisions de protons présentent parfois des motifs similaires à ceux observés dans les collisions de noyaux lourds. Ce comportement a été remarqué lors de l’observation d’un nombre accru de hadrons dits "étranges" dans les collisions de protons où un grand nombre de particules sont créées.

Cette augmentation est une des caractéristiques habituelles de l’état de la matière sous forme de plasma de quarks et de gluons qui aurait existé pendant quelques microsecondes après le Big Bang. Selon Boris Hippolyte, qui a présidé le comité de revue interne à la Collaboration pour cette publication, il s’agit de vérifier si l’expérience ALICE n’est pas en train de mesurer les plus petites gouttes de plasma de quarks et de gluons jamais formées.

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un nouvel état très dense et chaud où les constituants les plus élémentaires de la matière (quarks et gluons) sont libérés des hadrons où ils se trouvent habituellement confinés. Ce milieu, analogue à celui par lequel l’Univers tout entier serait passé quelques microsecondes après le Big Bang, est créé lors des collisions d’ions lourds à haute énergie comme celles entre noyaux de plomb au LHC du Cern. Pour prouver l’existence de ce plasma et en étudier ses propriétés, les physiciens recherchent dans leurs données des particules rares composées d’une paire de quark charme avec son anti-quark (c-cbar), appelé le méson J/ψ . En présence du QGP, ces particules pourraient subir deux effets absents dans la matière froide (sans QGP) : une suppression de production (les paires c-cbar produites seront dissociées par le plasma) et une régénération (si les quarks c et cbar sont très nombreux, ils pourraient se recombiner et régénérer ainsi des nouveaux J/ψ dans le plasma). Ces deux effets opposés avaient déjà été observés avec les 1^res données du LHC en 2012 mais avec une faible précision pour la recombinaison. Avec les données de la nouvelle campagne du LHC (2015-2018), la collaboration internationale Alice vient de publier dans la revue Physics Review Letters B les premiers résultats sur la production du J/ψ avec une bien meilleure précision et à une énergie de collision plus élevée (√(s_NN) = 5.02 TeV au lieu de 2.76 TeV en 2012). L'effet de la recombinaison qui compense la suppression a été confirmé dans le mécanisme de production du J/ψ au LHC. L’équipe de l’Irfu membre d’Alice a coordonné  cette analyse et y a fortement contribué.

Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN a récemment mené à bien le programme de collisions de protons sur des noyaux de plomb. C’est à dessein que cette catégorie de collisions a été choisie, car elle permet d’étudier comment l’environnement nucléaire perturbe la structure interne d’un nucléon individuel donné dans le noyau de plomb. Ces effets nucléaires dits « froids » ont déjà été étudiés dans le passé. La grande nouveauté vient du bond en énergie du LHC qui était très attendu. Il permet en effet de tester notre compréhension à très haute énergie de ces effets. Une particule-sonde, le J/psi, a été privilégiée par les expériences ALICE et LHCb installées auprès du LHC. La production du J/psi y a été mesurée et est confrontée avec succès à l’extrapolation à haute énergie de notre modèle théorique. Le SPhN a activement contribué à la fois à la mesure du taux de production du J/psi en collisions proton-plomb et à l’élaboration de ce modèle.

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!

Les expériences ALICE et CMS ont levé un coin du voile sur la matière ultrachaude créée au sein des collisions d'ions lourds du LHC, analogue au plasma de quarks et de gluons baignant l'Univers quelques microsecondes après le Big Bang. La particule J/psi au charme caché n'a pas fini de jouer un rôle dans cette saga. Sa suppression est une des pistes suivies afin de caractériser expérimentalement ce milieu. ALICE et CMS détectent le J/psi dans deux gammes d'énergies complémentaires. Leurs résultats, mis en relief par les ceux des expériences pionnières, sont surprenants. Ils laissent présager un régime en température et en densité d'énergie du plasma si différent au LHC que le J/psi s'y verrait en partie régénéré. L'investigation se poursuit en ce moment même. Une affaire à suivre…

Les collaborations ALICE et CMS ont soumis mi mars pour publication leurs articles sur la suppression des quarkonia observée dans les collisions d'ions lourds au LHC (CERN, Suisse). Les quarkonia désignent à la fois les états liés d'un quark charme (c) et de son antiquark (cbar), et ceux d'un quark beau (b) et de son antiquark (bbar).

Du 23 au 28 mai 2011 s'est tenue à Annecy (Haute Savoie) la dernière édition de la Conférence Quark Matter qui a regroupé 770 participants venus de tous les continents, dans l'organisation de laquelle s'est impliqué le groupe ALICE de l'Irfu. Cette série de conférences, dédiées à la physique du Plasma de Quark-Gluon (QGP), où théoriciens et expérimentateurs se retrouvent pour confronter leur travaux, est une tradition depuis plus de 20 ans. Des résultats venant de prises des données du LHC (CERN) ont été montrés et en particulier ceux venant des premières collisions avec des faisceaux de plomb à une énergie record de 1.38 TeV/nucléon, permettant d'atteindre une énergie de 2.76 TeV pour les collisions nucléon-nucléon, un ordre de grandeur supérieure à celle obtenue avec l'accélérateur RHIC de Brookhaven (USA). Les premiers résultats font état de la formation d'un QGP liquide quasi-parfait très dense, dans la prolongation de ce qui a été observé à RHIC. Au LHC, la température de ce milieu est 30% plus élevée, le volume est deux fois plus grand et la densité d'énergie est trois fois plus importante. Parmi les résultats majeurs on peut citer: le flot de hadrons plus important, la suppression des hadrons à haute impulsion transverse, l'étouffement des jets et la suppression des quarkonia, particules formées d'une paire quark-antiquark charmés. Le groupe ALICE de l'Irfu s'intéresse plus particulièrement à cette dernière thématique.

Après presque une année de prises de données en collisions proton-proton, le LHC du CERN a commencé l’injection d’ions de plomb début novembre et a très vite délivré des collisions dès le 8 novembre. L’énergie dans le centre de masse nucléon-nucléon est de 2,76 TeV, environ 10 fois supérieure à celle atteinte précédement au RHIC de Brookhaven (USA). Les premiers résultats d'ALICE ne se sont pas fait attendre.

Les collaborations Phenix et Star, qui regroupent notamment des physiciens de l'Irfu/CEA et l'IN2P3/CNRS, ont annoncé des découvertes majeures sur la nature du plasma de quarks et de gluons. Ces résultats décisifs pour la compréhension de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes apportent un éclairage nouveau sur la naissance de l'Univers. Ils ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.

Le lundi 23 novembre 2009, marque la première collision de faisceaux de particules au sein des grands détecteurs du LHC. ALICE a vu ses premières collisions à une énergie de collision de 900 GeV permettant de vérifier le bon fonctionnement de ces 18 grands détecteurs le constituant. Dès le 27 novembre, avec seulement quelques jours de données, la collaboration a même publié un article confirmant des mesures existantes.

Le groupe de l'Irfu, responsable du bras dimuons, a du attendre des conditions de faisceaux plus stables pour voir leurs détecteurs réagir aux données issues des collisions et le 6 décembre tous les détecteurs gazeux ont pu être mis sous tension. Les traces des premiers muons ont pu être reconstruites avec succès apportant une grande satisfaction à toute l'équipe qui a hâte de reprendre des données pour le redémarrage prévu en février 2010.

Le spectromètre à muons du détecteur ALICE¹ a enregistré des rayons cosmiques pendant deux semaines fin mars 2009. Le groupe ALICE de Saclay² s'est beaucoup impliqué dans la conception, la mise au point, la fabrication et l'installation d'une partie des chambres qui constituent ce spectromètre³. Ce test réalisé à l'aide des rayons cosmiques avait pour but de vérifier le bon fonctionnement de la chaîne complète depuis l'acquisition jusqu'à la reconstruction des données.  Au total un million de canaux environ ont été lus par le système d'acquisition et les données ont été enregistrées sur la grille de calcul. Près de 15000 traces ont été reconstruites dans des conditions proches de l'expérience avec du faisceau. Le test cosmique a été un succès. Il a montré que les chambres du spectromètre ont un comportement stable. Il a aussi permis de mettre en évidence certains points faibles de l'appareillage. Les tests se poursuivent actuellement et permettront de procéder à la correction des défauts observés. 

Un test cosmique impliquant tous les détecteurs d'ALICE est prévu au mois d'août, quelques semaines avant les premières injections de faisceau du LHC.

La quête d'ALICE:

Alice est l'expérience du LHC dédiée à l'étude du Plasma de Quarks et de Gluons (QGP), un état de la matière où les quarks et les gluons, ne sont plus confinés à l'intérieur des protons et neutrons. Cette soupe primordiale aurait existé dans les premières microsecondes de la naissance de l'univers. Au CERN, elle sera produite lors des collisions d'ions plomb à haute énergie. Le spectromètre à muons d'ALICE détectera les muons venant des résonances J/Psi et Upsilon des premiers faisceaux du LHC. La suppression de telles résonances a été annoncée comme une signature du QGP. 

Le spectromètre à muons:

Son rôle est de détecter des paires μ+ / μ- issues des désintégrations des résonances J/Psi et Upsilon, signatures les plus prometteuses de la création du plasma quark-gluon. Le spectromètre (figure 1), qui couvre une ouverture angulaire entre 2 et 9 degrès, est constitué : d'un absorbeur, de 5 stations de trajectographie (1-5), avec la troisième station se trouvant à l'intérieur du Dipole chaud, un mur de feret des chambres de déclenchement. Chaque station inclue 2 plans de cathodes faits de damiers de différentes tailles en x et y (différentes granularités).

En reproduisant des conditions comparables à celles qui régnaient dans les premiers instants de l’Univers, on s’attend à découvrir 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 collisionneur Rhic à Brookhaven. L’expérience Phenix vient d’y obtenir les premiers résultats significatifs concernant la manifestation la plus attendue de l’existence de ce plasma, une production anormalement faible de la particule J/Ψ.