En septembre, les opérateurs du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN on réussi un truc nouveau : mettre en collision un faisceau de protons avec un faisceau d’ions de plomb. Habituellement, le LHC fonctionne avec deux faisceaux de particules identiques (protons ou ions) circulant en sens inverse dans l’accélérateur. Pourquoi cette nouvelle configuration ?
Ces ions sont des atomes auxquels on a arraché tous les électrons, ne laissant que le noyau atomique. Les ions de plomb contiennent 82 protons plus 126 neutrons, le tout maintenu ensemble par la force nucléaire. Les protons sont eux aussi des particules composites puisqu’ils sont faits de trois quarks « collés » ensemble grâce aux « gluons », les particules associées à la force nucléaire.
Alors quand de tels noyaux entrent en collision à presque la vitesse de la lumière, qui pourrait prédire où chaque quark et chaque gluon aboutira? Même avec seulement quinze balles de billard, il est pratiquement impossible de deviner où elles iront après la casse. Si, de surcroit, chaque projectile est fait de centaines de particules, cela devient totalement imprévisible.
A première vue, il semblerait que tout ce qui peut sortir de collisions ions-ions est un fouillis incroyable. Mais en fait, ces collisions super énergétiques produisent le fouillis le plus torride et le plus cool qui soit : un plasma de quarks et gluons.
Tout le monde connaît les trois états de la matière: solide, liquide et gazeux mais le quatrième état, le plasma, est lui bien moins connu. C’est ce qu’on retrouve dans un tube au néon quand la différence de potentiel appliquée est assez forte pour arracher tous les électrons du gaz. Les ions chargés positivement ainsi que les électrons flottent librement, ayant suffisamment d’énergie pour ne pas se recombiner.
Le plasma de quarks et gluons est juste l’étape suivante. Imaginez qu’on fournisse suffisamment d’énergie pour pouvoir dissocier non seulement les atomes mais aussi les noyaux et mêmes les nucléons (le nom générique donné aux neutrons et protons à l’intérieur des noyaux atomiques). On obtient alors une soupe extrêmement énergétique de quarks et de gluons.
Il n’y a pas plus chaud et ce serait l’état dans lequel se trouvait toute la matière immédiatement après le Big Bang. Fait étonnant : le plasma de quarks et gluons se comporte comme un fluide ayant des propriétés collectives et non comme un ensemble de particules indépendantes. C’est en fait un fluide parfait ayant une viscosité nulle. Si on essayait de le confiner dans un contenant, le fluide remonterait les parois du contenant et se répandrait au maximum. Plus cool que ça et tu meurs…
L’expérience ALICE se consacre justement à l’étude de ce plasma. Chaque année, le LHC opère pour quelques semaines avec des ions de plomb au lieu des protons. ALICE accumule des données durant les collisions protons-protons et celles d’ions lourds. Même lorsque ce sont seulement des protons qui entrent en collision, les projectiles ne sont pas des balles pleines comme au billard mais bien des objets composites. En comparant ce que l’on obtient à partir de collisions d’ions ou de protons, les physicien-ne-s d’ALICE doivent d’abord distinguer ce qui vient du fait que les projectiles sont des protons liés dans le noyau ou bien à l’état libre.
Jusqu’à maintenant, il semble que le plasma de quarks et gluons ne se forme que dans les collisions d’ions puisqu’ils sont les seuls à fournir la densité d’énergie requise sur un volume assez substantiel (le volume d’un noyau atomique). Certains des effets observés, comme le nombre de particules à émerger du plasma de quarks et gluons à différents angles ou vitesses dépend en partie de la nature de l’état final créé. Quand un plasma se forme, il réabsorbe une partie des particules émises, de telles sortent qu’on en voit beaucoup moins sortir de ces collisions.
Les collisions de protons sur des ions lourds permettront peut-être de démêler ce qui est attribuable à l’état initial (protons libres ou liés dans le noyau) et l’état final (comme lorsque le plasma réabsorbe une partie des particules émises).
Déjà, avec une seule journée d’opération à ce régime, la collaboration ALICE vient de publier deux articles scientifiques. Le premier article donne la mesure de la densité de hadrons chargés produits dans des collisions proton-ions comparée aux mêmes mesures effectuées avec des collisions protons-protons ou ions-ions, après avoir normalisé le tout. Le second article porte sur la comparaison des distributions de quantités de mouvement des hadrons chargés pour des collisions protons-protons et ions-ions.
Le but ultime est d’étudier les fonctions de structure des projectiles utilisés, c’est-à-dire décrire comment les quarks et les gluons sont distribués à l’intérieur des protons quand ils sont libres ou liés dans le noyau des ions de plomb.
Bien d’autres études suivront au début de 2013 durant la période de deux mois consacrée aux collisions protons-ions.
« Cliché » des débris d’une collision de proton-ion de plomb capturé par le détecteur ALICE montrant un grand nombres de particules diverses crées à partir de l’énergie dégagée.
Pauline Gagnon
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