Au cœur des recherches sur les collisions de noyaux lourds à haute énergie se trouve l’étude du plasma de quarks et de gluons (PQG), un état extrême de la matière nucléaire où ses constituants fondamentaux, les quarks et les gluons, habituellement confinés dans les hadrons (protons et neutrons par exemple) à l’état naturel, évoluent presque librement au sein de ce plasma. Ce fluide quasi-parfait, le moins visqueux des fluides connus, atteint des températures extrêmement élevées (~1012 degrés Celsius). Cette forme particulière de matière aurait rempli l’Univers dans les microsecondes suivant le Big Bang.
Malgré de nombreux progrès expérimentaux et théoriques, le PQG recèle encore plusieurs énigmes : comment se forme-t-il si rapidement dans les collisions d’ions lourds ? Peut-il apparaître dans des collisions de protons très énergétiques ? Et comment se déroulent les processus de déconfinement et de reconfinement des quarks et gluons au sein des hadrons ?
C’est pour tenter de répondre à certaines de ces questions que le DPhN a rejoint la collaboration LHCb[1], avec comme premier jalon la collecte et l’analyse des toutes nouvelles données enregistrées à l’automne 2024. Celles-ci se révèlent uniques à plusieurs points de vue.
Tout d’abord par leur quantité (définie par la luminosité Lint) : deux fois plus d’événements que lors de la prise de données de 2018 (Fig.2).
À cela s’ajoute une amélioration des performances du détecteur, permettant l’accès à une plus grande centralité1 dans les collisions PbPb (Fig. 3). La probabilité de formation du PQG est plus élevée pour les collisions centrales puisque celles-ci produisent une plus grande densité d’énergie que les collisions périphériques. Les collisions semi-périphériques, où la formation du PQG est également attendue, deviennent maintenant aussi accessibles avec ce nouveau trajectographe.
1La centralité est liée à la géométrie de la collision de deux noyaux. Plus la centralité est élevée, plus la collision est dite frontale. Dans ce cas, la quantité de matière engagée dans la collision est grande et de même pour la densité d’énergie et la quantité de particules produites.
Au cœur de cette prise de données, le DPhN a joué un rôle déterminant à plusieurs niveaux. Ses chercheurs ont participé à l’élaboration de la stratégie de collecte des données, notamment au niveau des différentes étapes de filtrage. Plusieurs physiciens se sont rendus sur place sur de longues durées afin d’épauler les équipes locales, tant au niveau des opérations que du contrôle-qualité des données en temps réel. Les analyses et mesures physiques sont désormais en cours, promettant des résultats dans les années à venir.
Et le DPhN ne compte pas s’arrêter là, puisque ses chercheurs préparent aussi l’avenir à long terme. En effet, l’horizon 2035 verra une nouvelle phase de mise à jour de LHCb, avec notamment l’installation de nouveaux trajectographes : l’Upstream Pixel (UP) et le MIGHTY Tracker [2]. Les équipes du DPHN travaillent actuellement à la définition du design de l’UP en collaboration avec les équipes du DEDIP. Basés sur une technologie CMOS, ces détecteurs serviront principalement à améliorer les performances de LHCb pour les collisions PbPb les plus centrales afin de couvrir l’ensemble du domaine où le PQG est attendu.
Cette nouvelle étape permettra ainsi de compléter le programme de physique en cours et d’offrir de nouvelles perspectives à notre compréhension du QGP.
[1] LHCb collaboration, A. A. Alves Jr. et al., The LHCb detector at the LHC, JINST 3 (2008) S08005.
[2] LHCb collaboration, Framework TDR for the LHCb Upgrade II: Opportunities in flavour physics, and beyond, in the HL-LHC era, CERN-LHCC-2021-012
Contact(s) : Benjamin Audurier