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CERN (Francais) | Geneva | Switzerland

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Matière partonique et fluidité parfaite: c’est la saison des ions lourds au LHC

Cela devient une tradition au CERN: à chaque automne, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) remplace les protons dans l’accélérateur par des ions de plomb. Il s’agit d’atomes de plomb auxquels on a retiré les électrons, ne laissant « que » les 208 nucléons, c’est-à-dire 208 protons et neutrons, les particules qui se trouvent dans le noyau atomique. Donc au lieu d’amener en collision des protons contre d’autres protons, on génère des collisions d’agglomérats de 208 nucléons. C’est un peu comme jouer au billard, non pas avec une seule boule, mais avec des paquets de 208 boules… De quoi s’attendre à des phénomènes surprenants!

Tout comme la matière ordinaire possède plusieurs phases (on retrouve l’eau sous forme solide, liquide ou gazeuse), la matière nucléaire (celle à l’intérieur des noyaux) peut elle se manifester sous phase hadronique ou partonique.

La phase hadronique prend elle même deux formes: « liquide » lorsque les protons et neutrons sont liés à l’intérieur des noyaux, et « gazeuse », lorsque ceux-ci ont assez d’énergie pour sortir du noyau et coexister librement.

Et puis, il y a la phase partonique, quand les constituants des nucléons eux-mêmes se libèrent. Avec une énergie suffisante, les quarks et les gluons sont libérés : ils flottent côte-à-côte, ignorant l’attraction de la force nucléaire. C’est ce qu’on appelle un plasma de quarks et gluons, la soupe la plus énergétique jamais cuisinée dans l’Univers, et plus récemment, ici même sur terre, grâce au LHC.

On pense que la matière se trouvait dans cet état de plasma de quarks et gluons  juste après le Big Bang. La température régnant à ce moment était telle que  l’énergie était suffisante pour que les quarks et les gluons évoluent librement. L’attraction exercée par la force nucléaire, la plus puissante de toutes les forces connues, était insuffisante pour emprisonner quarks et gluons dans les nucléons.

Cet état de la matière est pratiquement inconnu car ce n’est que récemment qu’on a commencé à en produire avec les accélérateurs de hautes énergies, comme l’an dernier avec les premières collisions d’ions lourds du LHC. Mais la théorie décrivant la force nucléaire, la chromodynamique quantique (QCD), avait déjà prédit que la matière nucléaire passerait de la phase hadronique à la phase partonique à très haute température.

En décembre dernier, sous l’effet de l’énergie dégagée par les collisions d’ions lourds, on a pu observer qu’un plasma de quarks et gluons s’était formé et qu’il se comportait comme un fluide, avec des propriétés communes à l’ensemble. La théorie prévoit que cette transition de phase est soudaine comme la sublimation (lorsque la glace s’évapore) et non pas continue, comme lorsque la glace fond et que les phases liquides et solides coexistent.

Cette année, grâce à toute l’expérience acquise, l’équipe du LHC espère augmenter par un facteur de 20 à 40 la quantité de collisions d’ions lourds produites.  Ceci permettrait aux physiciens et physiciennes de la collaboration ALICE, une expérience dédiée à ce genre de recherches, mais aussi ATLAS et CMS, deux grandes collaborations aux intérêts pluridisciplinaires, d’étudier les propriétés du plasma de quarks et gluons.

Différentes approches théoriques (QCD, réseau ou théorie des cordes) prédisent toutes que ce plasma sera un fluide parfait, avec une viscosité inférieure à celle de l’hélium superfluide, qui est un mélange de deux composantes, une seule ayant une viscosité nulle. Un superfluide ne reste pas dans son contenant mais se met à grimper ses parois pour s’étaler librement.  Or, seules deux substances superfluides sont connues : une forme d’hélium liquide et un condensat de Bose-Einstein, deux types de matières qui n’existent que proche du zéro absolu de température, soit -273.15 degrés Celsius, tandis que le plasma de quarks et gluons existe à des milliers de milliards de degrés…

Une des façons d’étudier ce plasma est d’analyser ce qui se produit lorsqu’un évènement possède deux gerbes de particules émergeant des collisions d’ions lourds. Un évènement est une photo de ce qui se produit immédiatement après une collision et qui montre comment les fragments de ces collisions se dispersent, un peu comme dans de mini feux d’artifice. Pour conserver à la fois énergie et quantité de mouvement, les particules doivent être émises dans toutes les directions. Donc, si seulement deux gerbes de particules sont émises, elles doivent l’être dos-à-dos. Ce qu’on a observé l’an dernier, c’est que si une de ces gerbes était émise près de la surface, elle pouvait s’en échapper tandis que si elle devait traverser le plasma, elle y était absorbée et dispersée. Ce dispersement prouve l’existence d’une substance assez dense pour absorber la gerbe de particules, un phénomène qui n’avait jamais pu être observé.

Cette technique fonctionne encore mieux lorsqu’une gerbe est produite avec un photon ou un boson Z car ces derniers ne sont pas affectés par le plasma, révélant encore plus précisément d’où ils émergent. Malheureusement, ces évènements sont beaucoup plus rares mais grâce à un système de déclenchement amélioré, ALICE espère cette année récolter quelques évènements contenant un photon.

Malgré toutes les apparences, ce genre de recherche peut être qualifié de recherche appliquée. On veut élucider les mécanismes de formation de la matière juste après le Big Bang, lorsqu’elle est passée de la phase partonique à la phase hadronique, ingrédient essentiel pour comprendre comment la matière s’est formée.

Avant de passer au programme de collisions d’ions lourds, l’équipe du LHC tentera demain de faire entrer en collision pour la première fois des protons contre des ions lourds. De quoi s’amuser encore longtemps!

Pauline Gagnon

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Collision d’ions lourds où deux gerbes de particules sont produites dos-à-dos. La grille en bleu représente le détecteur ALICE, mais comme une cylindre mis à plat. En haut, après une collision « périphérique » (où les ions se frôlent) les deux gerbes sont bien visibles, tandis qu’en bas, dans une collision « centrale » (de plein fouet), la gerbe qui pointait vers l’intérieur du plasma de quarks et gluons a été absorbée et diffusée par le plasma.


 

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