Des expériences LHC font avancer nos connaissances sur l’état de la matière qui prévalait dans les premiers instants de l’Univers

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Collision d'ions lourds à l'expérience ALICE - 25 November 2015. (Image: CERN)

Genève et Chicago, le 9 février 2017. Les collaborations des expériences LHC ont présenté cette semaine, à la conférence Quark Matter 2017, leurs derniers résultats sur le comportement de la matière pendant les tout premiers instants de l’Univers.

Tous les ans a lieu une exploitation spéciale, pendant laquelle le Grand collisionneur de hadrons du CERN fait entrer en collision des ions plomb, afin de créer des conditions similaires à celles qui prévalaient immédiatement après le Big Bang. Ces collisions génèrent des températures plus de 100 000 fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil, et permettent aux scientifiques d’étudier un état de la matière appelé plasma quarks-gluons. Dans les conditions extrêmes ainsi créées, les protons et les neutrons qui composent les ions plomb « fondent », ce qui libère les quarks de leur liaison avec les gluons. L’étude du plasma quarks-gluons et de la manière dont il s’étend et se refroidit est importante, car elle peut contribuer à expliquer comment il a progressivement donné naissance aux particules qui composent aujourd’hui notre Univers. Il est essentiel également de comprendre la théorie de l’interaction forte, appelée chromodynamique quantique (CDQ), qui décrit la force fondamentale régissant les interactions entre les quarks et les gluons.

« La conférence Quark Matter témoigne de la richesse des résultats en physique des ions lourds, un domaine qui est par nature extrêmement complexe, explique Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique du CERN. Grâce au LHC, qui fonctionne si bien et avec autant de configurations de faisceau différentes, nous avons en main les outils d’expérimentation nécessaires pour faire la lumière sur l’état de la matière qui prévalait pendant les premiers instants de notre Univers. »

Chaque collision d’ions lourds crée seulement une minuscule gouttelette de plasma quarks-gluons ; la multitude de traces laissées par les collisions permet aux scientifiques d’observer comment les particules se comportent dans ce milieu. Par exemple, parmi les nouveaux résultats présentés, la collaboration ALICE a montré que les quarks lourds « perçoivent » directement la forme et la taille de la gouttelette de plasma quarks-gluons créée dans la zone de la collision. Cela signifie que même les quarks les plus lourds se déplacent avec le plasma, qui est formé principalement de quarks légers et de gluons. ALICE a aussi présenté de nouveaux résultats sur la répartition des types de particules – par exemple les pions et les kaons, parmi une foule d’autres particules – dans les collisions de noyaux de plomb ; ces résultats constituent une aide précieuse pour mesurer la pression et la densité à l’intérieur du plasma quarks-gluons.

Les particules sont également utilisées comme des sondes directes pour mesurer les caractéristiques du plasma. Plusieurs techniques sont utilisées à cette fin, par exemple les mesures de précision de la perte d’énergie des particules traversant le plasma, un phénomène appelé atténuation des jets. Les expériences ALICE, ATLAS et CMS ont toutes trois présenté de nouveaux résultats dans ce domaine, à une énergie de collision inédite avec du plomb, 5 TeV par paire de nucléons. Ces résultats ont été comparés aux précédents, à une énergie de collision de 2,76 TeV. Des progrès considérables ont été faits dans l’étude de l’atténuation des jets, et beaucoup de nouveaux résultats ont ainsi pu être présentés à la conférence Quark Matter 2017.

Toutes les expériences LHC enregistrent à présent des données abondantes sur les collisions entre des noyaux de plomb et entre des noyaux de plomb et des protons. Les collaborations ATLAS et CMS ont présenté des résultats sur des caractéristiques clés du comportement collectif des particules dans les collisions de haute multiplicité, éléments essentiels pour mieux comprendre les mécanismes microscopiques à l’œuvre dans le plasma quarks-gluons, et de nouvelles méthodes pour mesurer les effets collectifs dans les petits systèmes. La collaboration LHCb a pour sa part présenté son premier résultat public sur les collisions à cible fixe avec de l’argon – un programme entièrement nouveau au LHC, où une très grande densité d’énergie est atteinte et où, encore une fois, les premiers rôles sont tenus par des particules contenant des quarks lourds, reconstituées avec brio par le détecteur.

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