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Création et détection d'un plasma quark-gluon
Durant les années 1980 et 1990 une série d'expériences (NA 38, NA39, NA49, NA 50, WA97 et WA98 sur le SPS du CERN par ex.) ont tiré profit de la liberté asymptotique des quarks, en comprimant fortement les hadrons, dans le but de créer un plasma de quarks et de gluons. Dans un premier temps, les physiciensphysiciens ont bombardé des cibles fixes avec des noyaux légers (NA38 par ex.) à une énergie de 200 GeVGeV par nucléonnucléon. Puis, les noyaux légers ont été remplacés par des noyaux de plombplomb (cas de NA50), dont l'énergie atteignait 158 GeV par nucléon. Lors d'une collision frontale la densité d'énergie libérée au cœur des noyaux s'élève à 5 Gev/fm3 ; les conditions de formation d'un plasma quark-gluon sont donc théoriquement réunies. Se pose alors une question fondamentale : une fois le plasma créé, comment le mettre en évidence ?
La difficulté de l'entreprise réside dans les dimensions spatiales et temporelles du plasma quark-gluon : il est confiné dans un très petit volumevolume de l'ordre de quelques femtomètres et sa duréedurée de vie ne dépasse pas 10^-23 s. Ces chiffres éloquents montrent qu'il n'est pas envisageable d'observer directement un plasma quark-gluon mais plutôt les produits qui découlent de sa formation. Heureusement un tel plasma laisse des « traces » ou signatures que les physiciens savent reconnaître. Parmi les signatures auxquelles l'on s'attend, nous allons nous pencher sur trois d'entre-elles :
· Le défaut de production de mésonsmésons J/Y
· La production de particules « étranges ».
· La création de photonsphotons thermiques
Le défaut de production de mésons J/Y
Aux très hautes énergies qui nous intéressent, des paires de quarks « charmés » c et
D'autres phénomènes participent au spectre des muons. Notamment, sous l'action de la force de couleurcouleur les quarks et les antiquarks se rapprochent et s'annihilent presque aussitôt après avoir été créés en émettant un photon virtuel qui se matérialise à son tour en une paire de lepton-antilepton - particules plus légères - comme par exemple une paire |05469f7c790ca86832e789d9f69262ed|-positronpositron (
Dans le cas d'un plasma quark-gluon, la force de couleur qui attire les quarks des paires
La production de particules étranges.
Une fois créé, un plasma quark-gluon s'étend très rapidement en se refroidissant tout aussi vite. La densité d'énergie au sein du plasma décroissant, l'intensité de l'interaction forteinteraction forte entre les quarks augmente en entraînant la recombinaisonrecombinaison de ces derniers dans des états liés sous forme de hadrons, essentiellement des mésons. C'est le phénomène d'hadronisation que nous avons déjà mentionné. Les hadrons créés après hadronisation sont constitués des quarks qui étaient contenus dans le plasma ; l'analyse des hadrons formés après la collision devrait donc nous renseigner sur la composition du plasma quark-gluon.
Les hautes énergies nécessaires à la création d'un plasma favorisent la matérialisationmatérialisation de quarks lourds comme les quarks « charmés » c et
En présence de plasma, les quarks s et
L'expérience WA97 du CERN a mis en œuvre ce principe de détection du plasma quark-gluon. Les résultats ont été spectaculaires : le nombre de W et de
La création de photons thermiques
Cette technique d'observation du plasma quark-gluon est certainement la plus directe puisqu'elle permet de « voir » le rayonnement émis directement par le plasma.
En effet, lors de la collision entre deux nucléons, une partie de l'énergie est libérée sous forme de rayonnement électromagnétique c'est-à-dire sous forme de photons. Le taux de production et l'énergie de ces photons sont directement liés aux conditions thermodynamiquesthermodynamiques des quarks et des gluons qui les émettent. D'autre part, les photons interagissent avec la matièrematière par le biais de l'interaction électromagnétique dont ils sont d'ailleurs les vecteurs. Or l'interaction électromagnétique est beaucoup moins intense que l'interaction forte. Il s'ensuit que les photons ont une probabilité relativement faible d'interagir avec les quarks et les gluons environnants. L'analyse du rayonnement électro-magnétique engendré lors de la collision de nucléons nous informe donc fidèlement, avec peu d'altération, sur les conditions physiquesphysiques et thermiques de la matière nucléaire. Notamment, les photons thermiques sont surtout créés lors de la diffusiondiffusion d'un gluon par un quark (un peu comme un électron est diffusé par un noyau atomique dans l'expérience de Rutherford) et nous révèlent ainsi l'état physique des quarks.
Les photons thermiques pourraient donc constituer une signature intéressante de la création d'un plasma quark-gluon. Cependant, une grande quantité de photons sont également créés par d'autres phénomènes indépendants du plasma et viennent ainsi perturber les mesures par un important « bruit de fond ».
Certaines expériences, comme WA98 réalisée en 1998 sur l'anneau SPS du CERN, se sont attachées à mesurer les photons thermiques émis lors de collisions entre noyaux. Dans le cadre de WA98 des noyaux de plomb accélérés à 158 GeV / nucléon ont été envoyés contre une cible de plomb fixe. Malheureusement, à ce jour, les énergies atteintes par ces expériences n'ont pas été suffisantes pour permettre de distinguer du « bruit de fond » ambiant le rayonnement thermiquerayonnement thermique émis par un éventuel plasma quark-gluon. On espère, en revanche que les futures expériences du RHIC et du LHCLHC en fourniront les moyens.
par Rudy Tuani
le 4 juillet 2002
