Ions lourds et plasma de quarks et de gluons

Des collisions d’ions lourds pour libérer les quarks et recréer les conditions qui prévalaient juste après le Big Bang

Durant quelques millionièmes de seconde, juste après le Big Bang, l'Univers s’est rempli d'une soupe extrêmement dense et chaude, faite de toutes sortes de particules se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Cette soupe était composée principalement de quarks, constituants fondamentaux de la matière, et de gluons, porteurs de la force forte qui, dans des conditions normales, lie les quarks entre eux pour constituer les protons, neutrons, et autres particules bien connues. Dans les tous premiers instants qui sont suivi le Big Bang, à très haute température, les quarks et les gluons n’étaient toutefois que faiblement liés et pouvaient se déplacer librement dans ce que l’on appelle le plasma de quarks et de gluons.

Pour recréer des conditions similaires à celles de l’Univers primordial, de puissants accélérateurs font entrer frontalement en collision des ions massifs, par exemple des noyaux d'or ou de plomb. Dans ces collisions d’ions lourds, les centaines de protons et de neutrons présents dans les noyaux en collision se percutent à des énergies chacune supérieure à plusieurs millions de millions d’électronvolts. Une minuscule boule de feu se forme alors, dans laquelle tout « fond » pour former un plasma de quarks et de gluons.

La boule de feu se refroidit instantanément et les quarks et les gluons (autrement dit les partons) se recombinent, formant une tempête de matière ordinaire qui déferle dans toutes les directions. Parmi les débris des collisions, on trouve des particules telles que les pions et les kaons (constitués d'un quark et d’un antiquark), les protons et les neutrons (constitués de trois quarks), et même un grand nombre d’antiprotons et d’antineutrons susceptibles de se combiner pour former des noyaux d’antiatomes aussi lourds que l’hélium. L’étude de la répartition et de l’énergie de ces débris est riche d’enseignement. Il a tout d’abord été découvert que le plasma de quarks et de gluons se comporte plutôt comme un fluide parfait de faible viscosité que comme un gaz – contrairement à ce qui était généralement prédit.

Une catégorie de débris est particulièrement intéressante. Dans les collisions initiales entre ions lourds, des paires de quarks ou de gluons peuvent se percuter directement les unes avec les autres et diffuser dos à dos en produisant un jaillissement d’énergie qui se condense rapidement en un jet de pions, de kaons et d’autres particules. Observés pour la première fois dans les années 1980, dans des expériences avec accélérateur, les jets sont une pièce maîtresse de la chromodynamique quantique, la théorie qui explique comment les quarks et les gluons se combinent selon leur « couleur » (une propriété quantique qui n’a rien à voir avec les couleurs que nous voyons).

 Dans les collisions d’ions lourds, les jets ont été observés pour la première fois en 2003 par les expériences STAR et PHENIX auprès du Collisionneur d’ions lourds relativistes (Relativistic Heavy Ion Collider - RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven, aux États-Unis. Toutefois, ces jets présentaient une différence remarquable avec ceux émis dans des collisions plus simples. Dans sa mesure la plus surprenante, l’expérience STAR a observé que l’un des deux jets émis dos à dos était invariablement « étouffé », parfois affaibli, parfois complètement supprimé. Plus un jet doit traverser la boule de feu dense d’une collision d’ions lourds (de 30 à 50 fois plus denses qu’un noyau ordinaire), plus il perd d’énergie.

Les jets sont des « sondes dures », soumises, par nature, à l’interaction forte, mais qui se déplacent si rapidement et avec une telle énergie que, le plus souvent, ils ne sont pas complètement absorbés par les quarks et les gluons avoisinants du plasma. Le degré d’étouffement des jets (un chiffre déterminé après analyse de millions de collisions), l'orientation, la direction et la composition des jets, ainsi que la manière dont ils transfèrent énergie et impulsion au milieu révèlent le contenu de la boule de feu et donc les propriétés du plasma de quarks et de gluons.

Récemment, les expériences ALICE, ATLAS et CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont confirmé le phénomène d’étouffement des jets dans les collisions d’ions lourds. Les énergies de collisions étant bien plus élevées au LHC, les énergies des jets mesurées sont bien plus grandes que celles observées au RHIC, ce qui permet de déterminer plus précisément les caractéristiques du plasma de quarks et de gluons. Comprendre sur le plan théorique ces mesures est ardu, mais c’est à ce jour l’un des défis les plus importants de la chromodynamique quantique.

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