L'un des premiers événements proton-plomb à 5,02 TeV vu par ALICE en novembre 2016. Crédit :CERN
Après sept mois fructueux de collision de faisceaux de protons entre eux à la recherche de nouvelles particules fondamentales, le LHC a commencé aujourd'hui à entrer en collision des faisceaux de protons avec des faisceaux constitués d'ions lourds – les noyaux des atomes de plomb.
L'étude de ces collisions asymétriques donnera aux physiciens un aperçu plus précis de l'état de l'univers quelques millionièmes de seconde après le Big Bang.
Pendant cette brève période, l'univers était rempli de toutes sortes de particules se déplaçant à une vitesse proche de la lumière. Le mélange était dominé par les quarks – unités fondamentales de la matière – et par les gluons, porteurs de la force forte qui lie normalement les quarks en protons et neutrons familiers. Dans ces premiers moments de températures et de densités extrêmes, les protons et les neutrons ne s'étaient pas encore formés et les quarks et les gluons n'étaient que faiblement liés, libres de se déplacer par eux-mêmes dans ce qu'on appelle un plasma quark-gluon.
Normalement, les physiciens recréent ces conditions en faisant entrer en collision deux faisceaux constitués tous deux du même type d'ions lourds, comme le plomb.
Mais une nuit de septembre 2012, Les physiciens du LHC ont choisi pour la première fois de faire entrer en collision des faisceaux constitués de deux particules différentes :des ions lourds avec des protons moins massifs. Analyser les données, les chercheurs ont été surpris de voir dans une fraction des collisions des signes d'une expansion collective du système, une sorte de mini-Big Bang. C'est une caractéristique des collisions plomb-plomb, et bien connu pour être associé aux propriétés du plasma quark-gluon, mais cela n'avait jamais été vu dans des collisions plomb-proton auparavant.
Bien que toutes les expériences nécessitent des données, l'essai à basse énergie est principalement réalisé pour les scientifiques de l'expérience ALICE du CERN, qui veulent collecter beaucoup plus de données, avec une précision plus élevée qu'en 2013. Crédit :Sophia Bennett/ CERN
Puis, en 2013, un mois complet de collisions proton-plomb a confirmé ces premières observations.
Cette année, les faisceaux de protons et de plomb entreront en collision à deux énergies différentes :5,02 TeV et, plus tard dans le mois, le maximum possible de 8,16 TeV. La plus faible énergie sera équivalente à celle des collisions plomb-plomb en 2015, les collisions proton-plomb antérieures ainsi que certaines collisions proton-proton, ce qui signifie que les chercheurs pourront faire des comparaisons directes entre les trois.
"Les collisions proton-plomb sont quelque chose que le LHC n'était pas prévu à l'origine, mais maintenant, il a un intérêt physique encore plus grand que prévu. Toutes les expérimentations ont rejoint le programme, y compris LHCb qui n'était pas à l'origine une expérience sur les ions lourds, " dit John Jowett, le physicien des accélérateurs du CERN responsable des ions lourds dans le LHC.
Bien que toutes les expériences nécessitent des données, l'essai à basse énergie est principalement réalisé pour les scientifiques de l'expérience ALICE du CERN, qui veulent collecter beaucoup plus de données, à partir de plus d'événements et avec une plus grande précision, obtenir de meilleures statistiques qu'en 2013.
Affichages d'événements de l'exécution proton-plomb, Janvier 2013, généré par le High Level Trigger (HLT) de l'expérience ALICE. Crédit :CERN
« Nous sommes très enthousiastes à l'idée de pouvoir, dans cette série, comprendre une toute nouvelle facette de ce phénomène. Comprendre comment la matière en interaction forte se comporte dans le système plus simple proton-plomb pourrait en fait être la clé pour comprendre comment se forme le plasma quark-gluon. " explique Federico Antinori, porte-parole élu de l'expérience ALICE du CERN.
Les ions plomb ont 82 fois la charge et sont 206,4 fois plus massifs que les protons. La collision de ces faisceaux asymétriques, avec des propriétés et des durées de vie très différentes, entraîne de nombreux défis pour les physiciens et les opérateurs des accélérateurs du LHC. De nombreux travaux d'ingénierie préparatoires ont été effectués lors de l'arrêt technique de la semaine dernière, notamment des modifications spéciales de l'instrumentation du faisceau du LHC et des systèmes d'injection du faisceau.
"On pensait que cela ne fonctionnerait pas du tout, comme les particules de différents types se déplacent autour du LHC à des vitesses différentes - à l'énergie d'injection, le faisceau de plomb est légèrement plus lent que les protons, il fait donc sept tours de moins autour de l'anneau en une minute (les protons font 674, 729 à cette époque). Ces problèmes ont été résolus en 2012, mais la physique des faisceaux et la configuration opérationnelle restent un territoire compliqué et quelque peu inexploré », a déclaré Jowett.
"C'est la première fois que nous faisons des collisions plomb-proton depuis 2013, fournir des données importantes pour interpréter les résultats des collisions plomb-plomb, " dit Frédérick Bordry, Directeur des accélérateurs et de la technologie du CERN. "C'est aussi la dernière course d'ions jusqu'en 2018."
