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Création et détection d'un plasma quark-gluon

Dossier - Le plasma Quark-Gluon
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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
 

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 physiciens ont bombardé des cibles fixes avec des noyaux légers (NA38 par ex.) à une énergie de 200 GeV par nucléon. Puis, les noyaux légers ont été remplacés par des noyaux de plomb (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 volume de l'ordre de quelques femtomètres et sa durée 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 mésons J/Y
· La production de particules « étranges ».
· La création de photons thermiques

Le défaut de production de mésons J/Y

Aux très hautes énergies qui nous intéressent, des paires de quarks « charmés » c et

vont pouvoir se matérialiser. Les c et se lient en un méson
connu, comme nous l'avons vu plus haut, sous le nom de J/Y. Les deux quarks ne restent pas longtemps dans cet état lié ; très vite (au bout de 10^-23 s) ils s'annihilent en produisant aussi une paire lepton-antilepton (dont
). Ce phénomène est très bien connu des physiciens, c'est celui-là même qui permit la découverte du J/Y. Lorsque l'on mesure le nombre de paires produites en fonction de l'énergie mise en jeu (on dit que l'on mesure le spectre des muons) on observe pour une énergie égale à la masse du J/Y un pic trahissant la création de celui-ci.

D'autres phénomènes participent au spectre des muons. Notamment, sous l'action de la force de couleur 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 électron-positron (

) ou muon-antimuon ( ). On appelle les paires de leptons ainsi formées des paires de Drell-Yan, et la réaction qui leur a donné naissance : q + q -> photon virtuel -> lepton + anti-lepton, le processus de Drell-Yan.

Dans le cas d'un plasma quark-gluon, la force de couleur qui attire les quarks des paires s'annule sous l'effet d'écran de la force forte. Les quarks c et ne vont pas se lier dans un J/Y mais plutôt poursuivre leur chemin séparément. Ainsi, l'on devrait constater une chute anormale du nombre de J/Y créés, signature de la formation d'un plasma quark-gluon. C'est précisément ce que les équipes des expériences NA38 et NA50 ont observé.

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 forte entre les quarks augmente en entraînant la recombinaison 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 matérialisation de quarks lourds comme les quarks « charmés » c et mais aussi les quarks « étranges » s et

. Comme les quarks « charmés » les quarks s et se trouvent à l'état libre du fait de l'écrantage de la force de couleur. Au lieu de s'annihiler, ils vont se lier dans des baryons (hadrons à 3 quarks).

En présence de plasma, les quarks s et sont plus nombreux ce qui devrait favoriser la création d'un plus grand nombre de baryons « étranges » comme le W composé de trois quarks s ou l'antioméga (noté

constitué de trois antiquarks . Une forte augmentation de la production de tels baryons constitue donc une bonne signature d'un plasma quark-gluon.

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 a été multiplié par 15 comme le montre la figure ci-contre ! Ainsi, les physiciens soupçonnent fortement la création d'un plasma de quarks et de gluons.

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 thermodynamiques des quarks et des gluons qui les émettent. D'autre part, les photons interagissent avec la matière 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 physiques et thermiques de la matière nucléaire. Notamment, les photons thermiques sont surtout créés lors de la diffusion 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 thermique émis par un éventuel plasma quark-gluon. On espère, en revanche que les futures expériences du RHIC et du LHC en fourniront les moyens.