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LHC : des collisions ion-proton pour percer les secrets du quagma

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L'étude sérieuse des collisions de protons et de noyaux de plomb a débuté au LHC. Elle devrait permettre de mieux comprendre un état particulier de la matière, le plasma de quarks et de gluons. Autrement dit un quagma.

Cette petite bouteille contient la source de plomb pour le Linac 3, qui fournit des ions plomb pour les collisions au LHC. Avec ces collisions, on peut explorer des phases primitives de l'univers observable voilà 13,77 milliards d'années. © Cern

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 les états de la matière et leur influence sur l'expansion de l'univers dans ses tout premiers instants. 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 aujourd'hui 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).

Le quagma, un plasma de quarks et de gluons

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 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 Large Hadron Collider (LHC) Mais bien avant que le LHC n'entre en service, on étudiait déjà le comportement du plasma de quarks produit par des collisions de noyaux d'or avec le Relativisitic Heavy Ion Collider (RHIC) aux États-Unis.

Des gerbes de particules envahissant le détecteur Alice à l’occasion des premières collisions proton-ion plomb de 2013. La prise de données pour la physique continuera jusqu'en février 2013. © Cern

Les collisions d'ions lourds au LHC se font à des énergies plus élevées qu'avec le RHIC, ce qui permet de remonter encore plus dans le temps pour comprendre ce qui s'est passé après le Big Bang. Mais pour déchiffrer les messages codés dans les débris des collisions concernant les secrets des quarks et des gluons à de si hautes énergies, il faut, comme nous l'expliquions dans un précédent article, étudier des collisions entre faisceaux de protons et d'ions, et pas seulement entre faisceaux d'ions.

Un point de comparaison pour le comportement des quarks

La raison en est que le comportement des quarks et des gluons dans des protons ou des neutrons isolés n'est pas le même que dans des nucléons formant des noyaux. Une bonne partie de notre connaissance du comportement des quarks et des gluons s'appuient sur des collisions proton-proton et proton-électron, un terrain qu'a bien défriché le LHC.

Mais lors de la formation d'un quagma avec des collisions de faisceaux d'ions, par exemple dans le détecteur Alice du LHC, on distingue mal ce qui résulte de la physique propre du plasma de quarks et de gluons de ce qui dépend du fait que les nucléons avant collision étaient dans des noyaux. Or, lors de la collision de faisceaux de protons et d'ions, le quagma ne se forme pas.

Il est alors possible d'obtenir un point de comparaison pour soustraire des signaux résultant de collisions des faisceaux d'ions la partie qui ne dépend pas des propriétés du quagma. On élimine ainsi un biais dans les observations et leurs interprétations dans le cadre de la chromodynamique quantique, la théorie des interactions fortes.

C'est pour cette raison que depuis l'après-midi du dimanche 20 janvier 2013, on fait entrer en collision des protons avec des ions plomb. L'exploitation pour la physique des collisions plomb-proton devrait se poursuivre jusqu'en février, date à laquelle le LHC sera mis à l'arrêt pendant deux ans afin d'augmenter ses performances.