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Le déconfinement des quarks : le plasma quark-gluon

Dossier - Le plasma Quark-Gluon
DossierClassé sous :physique , plasma , quark

Rudy Tuani

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Réalisé avec la contribution de Mme Claudie Gerschel, chercheur à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, ce dossier présente de manière complète le plasma quark-gluon, ainsi que les dernières avancées de la recherche dans ce domaine.

  
DossiersLe plasma Quark-Gluon
 

Pour tenter d'observer des quarks les physiciens ont utilisé dans les années 1980 des accélérateurs de particules de plus en plus puissants. Ils ont cherché à extirper les quarks des hadrons en les bombardant avec des particules très rapides (des électrons par ex.). Les expériences ont clairement montré des « points durs » à l'intérieur des hadrons, sources de gerbes de particules - des mésons - appelées des jets. Malgré l'énergie considérable communiquée aux particules dans les accélérateurs, aucun quark libre n'a pu être mis en évidence.

Paradoxalement, plus l'énergie des quarks dans un hadron est faible, plus ces derniers semblent libres de leurs mouvements. Inversement, le lien qui les réunit se renforce avec leur énergie. Cette propriété étonnante des quarks s'appelle la liberté asymptotique. Pour fixer les idées, on peut imaginer les quarks dans un hadron comme des boules attachées entre elles par une corde élastique de raideur très élevée ; plus on éloigne les boules, plus la tension des cordes croît. Ce modèle porte le nom de bag modeI (ou modèle du sac).

La liberté asymptotique s'interprète physiquement très simplement à partir de la forme du potentiel auquel est soumis un quark dans un hadron :

où le premier terme est de forme coulombienne et la composante en sigma est responsable du confinement.

Quand la densité de quarks croît, c'est-à-dire quand r décroît, le terme en s tend à s'annuler et le terme coulombien subit un effet d'écran tout à fait comparable à celui qui est observé avec le potentiel électrostatique. A partir d'un certain seuil, appelé longueur de Debye, ce potentiel devient à son tour négligeable : le quark peut se mouvoir librement. La matière ressemble alors à un « bouillon » de quarks et de gluons à l'état libre, c'est-à-dire, dit autrement, à un plasma de quarks et de gluons !

La création d'un tel plasma nécessite une température minimale de 10^10 K (ou encore 300 MeV ) et une densité d'énergie supérieure à 3 GeV/fm3 ; en comparaison, la densité d'énergie à l'intérieur d'un noyau atomique « froid » est de l'ordre de 0,17 GeV/fm3.