Sciences

De bien étranges collisions de noyaux de cuivre au RHIC

ActualitéClassé sous :physique , ion lourd , quark

Les collisions de noyaux d'or permettent de sonder la physique de la matière nucléaire dans des conditions de températures et de pressions similaires à celles ayant conduit à la formation d'un plasma de quarks gluons peu après le Big Bang. En changeant de noyaux, les physiciens du Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ont obtenu une augmentation de la création de quarks étranges, alors qu'on s'attendait à l'inverse...

Le plasma de quarks-gluons vu par les détecteurs du RHIC. © Brookhaven National Laboratory

On sait que la cosmologie est un laboratoire pour l'infiniment petit. Mais l'inverse est tout aussi vrai. On peut se servir de collisions entre particules, ou entre noyaux d'atomes, pour mieux comprendre l'état de la matière et son influence sur l'expansion de l'univers dans les tout premiers instants de l'univers. On sait par exemple que les protons et les neutrons n'ont pas toujours existé. Quand la température de l'univers était très élevée et sa densité très grande, les quarks confinés par l'interaction nucléaire forte dans les nucléons pouvaient se déplacer librement. L'univers était alors un gaz de leptons et de quarks échangeant différents bosons comme le photon ou des gluons (rappelons que les gluons n'interagissent qu'avec les quarks).

Une composante importante de ce gaz était ce qu'on appelle un plasma de quarks et de gluons, souvent désigné comme le QGP, pour Quark Gluon Plasma en anglais, ou de quagma. Les physiciens, les astrophysiciens et les cosmologistes s'y intéressent et c'est pourquoi on tente de recréer cet état de la matière depuis des décennies. On y arrive d'ailleurs, par exemple avec des collisions d'ions lourds au LHC. Mais bien avant que le LHC n'entre en service, on étudiait déjà comportement du plasma de quark produit par des collisions de noyaux d'or avec le Relativisitic Heavy Ion Collider (RHIC) aux États-Unis.

Une vue d'artiste de deux ions lourds sur le point d'entrer violemment en collision. Les nucléons des noyaux, c'est-à-dire les protons et les neutrons, sont représentés sous forme de petites bulles dans une sphère. Chaque bulle contient 3 quarks liés par des échanges de gluons. © Cern

Les physiciens de l'expérience Star du RHIC viennent de déposer sur arxivun nouvel article qui fait état d'un résultat intriguant concernant les collisions d'ions lourds. Au LHC, on fait parfois des expériences avec des ions de plomb. Avec RHIC, ce sont des noyaux d'or mais les chercheurs ont voulu voir ce qui se passait avec des ions cuivre.

Ions cuivre : 20 à 30 % de quarks étranges en plus

On sait que lors des collisions, tout se passe comme si les nucléons étaient des gouttes de liquide hadronique qui se vaporisaient pour retourner à un état gazeux similaire à celui régnant dans l'univers observable peu après le Big Bang. En se détendant, la température de ce gaz diminuant à nouveau, d'autres gouttes de liquide naissent, qui ne sont pas des nucléons mais toujours des hadrons. Certaines de ces gouttes sont des mésons instables contenant des quarks charmés et les physiciens se sont intéressés à la quantité de quarks charmés ainsi produite.

Surprise ! La quantité de quarks étranges produite par nombre de nucléons dans les noyaux entrant en collision est plus grande avec des noyaux de cuivre qu'avec des noyaux d'or. Alors que la quantité d'énergie moyenne par nucléon est identique, 100 GeV, on constate que 20 à 30 % de quarks étrange en plus sont présents temporairement dans les collisions alors que le nombre de nucléons dans les noyaux de cuivre est plus faible que celui dans les noyaux d'or.

Les physiciens ne s'attendaient pas à une telle augmentation. Si elle signale bien la formation d'un QGP, elle devait diminuer avec le nombre de nucléons dans les noyaux entrant en collisions. Elle fait là l'inverse.

Plusieurs explications possibles ont été avancées, sans savoir laquelle d'entre elles pourrait être la bonne.