Département de Physique Nucléaire

Les collisions entre noyaux lourds à haute énergie permettent d’obtenir des densités d’énergie de l’ordre de dix fois la densité nucléaire normale, et cette densité est suffisante pour permettre l’existence d’un nouvel état de la matière, appelé plasma de quarks et de gluons, dans lequel les quarks et les gluons ne sont plus confinés à l’intérieur de particules, les hadrons. C’est ce que prédit la théorie des interactions fortes, la chromodynamique quantique, ou plus précisément ce qui ressort de calculs numériques dits « sur réseau ». C’est probablement aussi par cet état que l’Univers tout entier est passé pendant ses premiers instants, jusqu’à quelques microsecondes après le Big Bang.

Dans les années 1990 au SPS du Cern, des expériences de collisions « centrales », c’est-à-dire de plein fouet, entre noyaux lourds ont permis de concentrer suffisamment d’énergie en un point pour tout juste obtenir les conditions nécessaires à la création d’un plasma de quarks et de gluons. L’indication la plus probante de l’existence d’un tel plasma fut sans doute ce qu’on a appelé la « suppression anormale de la résonance J/Ψ ». La résonance J/Ψ est en fait une particule constituée d’un quark charme (c) et de son antiquark (c). Cette particule nécessite une énergie importante pour se former en raison de la grande masse des quarks qui la composent. Au SPS comme dans d'autres accélérateurs à plus grande énergie encore, les collisions entre deux noyaux lourds permettent justement trouver de telles conditions, on s’attend donc à voir un certain nombre de J/Ψ. Mais les conditions qui prévalent lors d'une collision centrale permettent aussi la création d’un éventuel plasma de quarks et de gluons. Dans un tel plasma, la foule de quarks et de gluons de tout type est si dense que le quark charme et son antiquark rencontrent bien plus de difficultés pour se lier et former un J/Ψ. Cet effet se traduit par une diminution notable de la production de J/Ψ et c’est lui qu’on appelle suppression anormale de la résonance J/Ψ.

Le collisionneur Rhic, mis en service en 2000 au laboratoire national de Brookhaven (USA), permet d’étudier les collisions entre noyaux lourds jusqu’à des énergies environ 10 fois plus grandes qu’au SPS. On s’attend ainsi à ce que des températures plus élevées y soient atteintes et que la phase plasma y dure plus longtemps. Et, de fait, de nouveaux phénomènes ont été observés, comme la forte diminution de la fréquence des jets de particules emportant une grande quantité de mouvement dans des directions perpendiculaires à l’axe de la collision (voir fait marquant, novembre 2003). Cette diminution, qui peut atteindre un facteur 5 lorsque les collisions sont les plus « centrales », ne peut s’interpréter qu’en supposant l’existence éphémère d’un état très dense en quarks, qui serait un plasma de quarks et de gluons.

La production de J/Ψ identifiés par leur désintégration en une paire de muons a été étudiée par Phenix. Sur la figure sont regroupés les résultats concernant le facteur, dit de modification nucléaire, R_AB, pour la production de J/Ψ dans les collisions entre deux noyaux A et B en fonction du nombre de nucléons (protons et neutrons) mis en jeu dans celles-ci. Une collision entre deux noyaux sans les effets d’un plasma devrait produire des points expérimentaux (en couleur) qui se trouveraient sur la courbe en trait plein. Dans le cas où les effets du plasma seraient les plus forts comme le prédisaient Matsui et Satz dès 1986, les points expérimentaux devraient se placer sur la courbe en tirets. Les résultats de Phenix se situent entre ces deux cas extrêmes. Il semble donc que les effets du plasma sur la production de J/Ψ soient plus complexes que ceux envisagés par Matsui et Satz. D’autres modèles ont été proposés plus récemment, qui font intervenir la régénération de la particule J/Ψ quand le système se dilate après avoir atteint sa densité maximale. Cette régénération est plus probable aux énergies du Rhic qu’à celles du SPS car la production des quarks charmes constituant le J/Ψ y est plus grande. Ces modèles sont en train d’être confrontés non seulement aux résultats présentés ici mais aussi à des mesures plus détaillées.