Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN fait généralement entrer en collision des protons. Ce sont ces collisions proton-proton qui ont conduit à la découverte du boson de Higgs en 2012. Mais le plus grand accélérateur du monde a également été conçu pour écraser des ions lourds, principalement les noyaux des atomes de plomb, et il le fait chaque année pendant environ un mois. Et pour au moins deux bonnes raisons. D'abord, les collisions d'ions lourds au LHC recréent dans des conditions de laboratoire le plasma de quarks et de gluons qui aurait existé peu après le Big Bang. Seconde, les collisions peuvent être utilisées pour tester et étudier, aux températures et densités artificielles les plus élevées, prédictions fondamentales de la chromodynamique quantique, la théorie de la force forte qui lie les quarks et les gluons ensemble en protons et neutrons et finalement tous les noyaux atomiques.

Le LHC n'a pas été la première machine à recréer la matière du Big Bang :en 2000, des expériences au super synchrotron à protons du CERN ont trouvé des preuves convaincantes du plasma quark-gluon. Environ cinq ans plus tard, des expériences au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) au laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis ont lancé une ère d'enquête détaillée sur le plasma de quarks et de gluons. Cependant, au cours des 10 années écoulées depuis qu'il a réalisé des collisions à des énergies plus élevées que ses prédécesseurs, le LHC a poussé les études du plasma de quarks et de gluons à des sommets incroyables. En produisant un plus chaud, un plasma quark-gluon plus dense et à vie plus longue ainsi qu'un plus grand nombre et un plus grand assortiment de particules avec lesquelles sonder ses propriétés et ses effets, le LHC a permis aux physiciens d'étudier le plasma quark-gluon avec un niveau de détail sans précédent. Quoi de plus, la machine a donné des résultats surprenants en cours de route, stimuler de nouvelles études théoriques sur cet état de la matière.

"Dans le manuel ultime sur la théorie de l'interaction forte, le chapitre sur le plasma quark-gluon sera rempli de chiffres sur les données du LHC, ", explique Luciano Musa, porte-parole de l'expérience ALICE.

"Ces chiffres excellent dans la précision des données et la portée cinématique, et ils sont les premiers à nous informer sur la façon dont les propriétés de type plasma quark-gluon émergent progressivement à mesure que l'on passe des collisions proton-proton aux collisions d'ions lourds. »

Cours de collision lourde

Lorsque des noyaux lourds s'entrechoquent dans le LHC, les centaines de protons et de neutrons qui composent les noyaux libèrent une grande partie de leur énergie dans un minuscule volume, créant une boule de feu de quarks et de gluons. Ces minuscules morceaux de plasma quark-gluon n'existent que pour des instants fugaces, avec les quarks et les gluons individuels, collectivement connus sous le nom de partons, formant rapidement des particules composites et des antiparticules qui s'envolent dans toutes les directions. En étudiant le zoo de particules produites dans les collisions-avant, pendant et après la création du plasma, les chercheurs peuvent étudier le plasma depuis le moment où il est produit jusqu'au moment où il se refroidit et cède la place à un état dans lequel des particules composites appelées hadrons peuvent se former. Cependant, le plasma ne peut pas être observé directement. Sa présence et ses propriétés sont déduites des signatures expérimentales qu'il laisse sur les particules produites lors des collisions et de leur comparaison avec des modèles théoriques.

Ces études peuvent être divisées en deux catégories distinctes. Le premier type d'étude étudie les milliers de particules qui émergent collectivement d'une collision d'ions lourds, fournir des informations sur le monde, propriétés macroscopiques du plasma quark-gluon. Le deuxième type se concentre sur divers types de particules de grande masse ou quantité de mouvement, qui sont produites plus rarement et offrent une fenêtre sur l'intérieur, fonctionnement microscopique du milieu.

Au LHC, ces études sont menées par les collaborations à l'origine des quatre principales expériences LHC :ALICE, ATLAS, CMS et LHCb. Bien qu'ALICE ait été initialement conçu spécifiquement pour étudier le plasma quark-gluon, les trois autres expériences ont également rejoint depuis cette enquête.

Propriétés globales

Le LHC a fourni des données qui ont permis aux chercheurs de dériver avec une précision supérieure à celle obtenue auparavant plusieurs propriétés globales du milieu.

"Si nous écoutons deux instruments de musique différents les yeux fermés, nous pouvons distinguer les instruments même lorsqu'ils jouent la même note. La raison en est qu'une note est livrée avec un ensemble d'harmoniques qui donnent à l'instrument un son distinct et unique. Ce n'est qu'un exemple de la simplicité mais de la puissance des harmoniques dans l'identification des propriétés des matériaux. Les physiciens des ions lourds ont appris à utiliser les « harmoniques » dans leur étude du plasma quark-gluon. L'étape initiale d'une collision d'ions lourds produit des ondulations dans le plasma qui traversent le milieu et excitent les harmoniques. De telles harmoniques peuvent être mesurées en analysant le flux collectif de particules qui sortent du plasma et atteignent les détecteurs. Alors que les mesures précédentes n'avaient révélé que les premières indications de ces harmoniques, les expériences LHC les ont cartographiés en détail. Combiné avec d'autres avancées en précision, ces données ont été utilisées par les théoriciens pour caractériser les propriétés du plasma, comme sa température, densité d'énergie et résistance au frottement, qui est plus petit que celui de tout autre fluide connu, " explique Wiedemann.

Ces découvertes ont ensuite été étayées de multiples façons. Par exemple, la collaboration ALICE a estimé la température du plasma en étudiant les photons émis par la boule de feu chaude. La température estimée, environ 300 MeV (1 MeV équivaut à environ 10 ^dix kelvin), est supérieure à la température prédite nécessaire à la création du plasma (environ 160 MeV), et est d'environ 40 % supérieur à celui obtenu par le collisionneur RHIC.

Un autre exemple est l'estimation de la densité d'énergie du plasma au stade initial des collisions. ALICE et CMS ont obtenu une valeur comprise entre 12 et 14 GeV par femtomètre cube (1 femtomètre vaut 10 ^-15 mètres), environ deux à trois fois supérieur à celui déterminé par le RHIC, et encore au-dessus de la densité d'énergie prédite nécessaire à la formation du plasma (environ 1 GeV/fm ³ ).

Le LHC a fourni non seulement plus de particules, mais aussi des types de particules plus variés pour sonder le plasma quark-gluon.

« Le LHC nous a donné accès à une très large palette de sondes, " déclare Andrea Dainese, coordinatrice de la physique d'ALICE.

"Avec des détecteurs de particules de pointe qui couvrent plus de zone autour des points de collision ainsi que des méthodes sophistiquées d'identification et de suivi des particules, cette large palette a offert un aperçu sans précédent du fonctionnement interne et des effets du plasma quark-gluon."

Pour donner quelques exemples, peu après le démarrage du LHC, ATLAS et CMS ont fait la première observation directe du phénomène de jet quenching, dans lequel les jets de particules formés lors des collisions perdent de l'énergie lorsqu'ils traversent le milieu plasma quark-gluon. Les collaborations ont trouvé un déséquilibre frappant dans les énergies des paires de jets, avec un jet presque complètement absorbé par le milieu.

Un autre exemple concerne les quarks lourds. De telles particules sont d'excellentes sondes du plasma de quarks et de gluons car elles sont produites aux stades initiaux d'une collision d'ions lourds et subissent donc toute l'évolution du plasma. La collaboration ALICE a montré plus récemment que les quarks lourds « ressentent » la forme et la taille du plasma quark-gluon, indiquant que même les quarks les plus lourds se déplacent avec le milieu, qui est principalement composé de quarks légers et de gluons.

Les expériences LHC, en particulier ALICE et CMS, ont également amélioré de manière significative notre compréhension de la "fusion" hiérarchique dans le plasma des états liés d'un quark lourd et de son antiquark, appelé quarkonia. Plus les états sont faiblement liés, plus ils fondront facilement, et par conséquent moins ils seront abondants. CMS a été le premier à observer cette suppression dite hiérarchique pour les états bottomonium, qui se composent d'un quark bottom et de son antiquark. Et ALICE a révélé que, tandis que la forme la plus courante d'états de charmonium, qui sont composés d'un quark charm et de son antiquark, est fortement supprimée en raison de l'effet du plasma, il est également régénéré par la recombinaison de quarks charmés et d'antiquarks. Ce phénomène de recombinaison, observé pour la première fois au LHC, fournit un terrain d'essai important pour les modèles théoriques et la phénoménologie, qui fait le lien entre les modèles théoriques et les données expérimentales.

Surprises dans les petits systèmes

Les données du LHC ont également révélé des résultats inattendus. Par exemple, la collaboration ALICE a montré que la production accrue de hadrons étranges (particules contenant au moins un quark étrange), qui est traditionnellement considéré comme une signature du plasma quark-gluon, apparaît progressivement dans les collisions proton-proton et proton-plomb comme le nombre de particules produites dans les collisions, ou "multiplicité", augmente.

Un autre exemple est l'apparition progressive d'une caractéristique semblable à un écoulement avec la forme d'une crête avec une multiplicité croissante, qui a été observée pour la première fois par CMS dans les collisions proton-proton et proton-plomb. Ce résultat a été corroboré par les observations d'ALICE et d'ATLAS sur l'émergence de caractéristiques à double crête dans les collisions proton-plomb.

"La découverte du comportement semblable aux ions lourds dans les collisions proton-proton et proton-noyau au LHC change la donne, " dit Wiedemann.

« Les données du LHC ont mis fin à l'idée de longue date selon laquelle les collisions proton-proton produisent des ensembles de particules à flux libre tandis que les collisions d'ions lourds produisent un plasma quark-gluon pleinement développé. Et elles nous disent que dans les petits systèmes de collision proton-proton il y a plus de mécanismes physiques à l'œuvre qu'on ne le pense traditionnellement. Le nouveau défi est de comprendre, dans la théorie de la force forte, comment les propriétés de type plasma quark-gluon émergent progressivement avec la taille du système de collision."

Ce ne sont là que des exemples de la façon dont 10 années de fonctionnement du LHC ont permis aux physiciens de faire progresser considérablement les connaissances des physiciens sur le plasma de quarks et de gluons et donc sur l'univers primitif. Et avec les données du deuxième essai de la machine toujours en cours d'analyse et d'autres données à venir du prochain essai et du LHC à haute luminosité, le successeur du LHC, une compréhension encore plus détaillée de cet état unique de la matière est vouée à émerger, peut-être avec de nouvelles surprises dans le mix.

« La prochaine décennie au LHC offre de nombreuses opportunités pour une exploration plus approfondie du plasma quark-gluon, " explique Musa. " La multiplication par dix attendue du nombre de collisions plomb-plomb devrait à la fois augmenter la précision des mesures des sondes connues du milieu et nous donner accès à de nouvelles sondes. En outre, nous prévoyons d'explorer les collisions entre des noyaux plus légers, ce qui pourrait éclairer davantage la nature du médium."