30 novembre 2010
Nouveaux horizons sur l’Univers primordial

Moins de trois semaines après les premières collisions d’ions lourds (ions plomb) au LHC, les résultats des expériences Alice, Atlas et CMS, auxquelles participent l’IN2P3/CNRS et le CEA, ouvrent de nouvelles perspectives pour la compréhension de la matière telle qu’elle existait probablement aux tout premiers instants de l’Univers. Les résultats de l’expérience Alice, dédiée à l’étude des ions lourds, ont fait l’objet de deux articles quelques jours à peine après le démarrage de la phase d’exploitation avec les ions lourds. Dans le cadre des expériences Atlas et CMS, le phénomène de "jet quenching" ou "étouffement des jets" a été observé pour la première fois de manière directe et permettra de mieux sonder le plasma quarks-gluons. Ce résultat a été annoncé dans un article de la collaboration Atlas dans la revue Physical Review Letters le 25 novembre 2010. CMS a pour sa part observé les premier bosons Z jamais produits en collisions d’ions lourds, et publiera prochainement un article sur l’étouffement des jets. Les résultats de toutes les expériences seront présentés lors d’un séminaire le 2 décembre au Cern. L’acquisition des données pour les ions se poursuivra jusqu’au 6 décembre.

L’un des objectifs du programme de recherche sur les ions lourds au Cern est de produire la matière telle qu’elle existait à la naissance de l’Univers. La matière nucléaire ordinaire, qui constitue tout être vivant ainsi que l’Univers visible, s’est quant à elle formée plus tard : l’Univers était alors trop chaud et trop agité pour que les quarks se lient entre eux par les gluons de façon à former les protons et les neutrons, les constituants de tous les éléments. Une fraction de seconde après le big-bang, quarks et gluons se seraient déplacés librement, formant un état de la matière appelé "plasma de quarks et de gluons". La production et l’étude de ce plasma sont essentielles pour comprendre l’évolution de l’Univers primordial et la nature de l’interaction forte, qui est responsable de la cohésion de la matière et qui organise les quarks, particules élémentaires de la matière, en objets complexes, protons et neutrons, constituants de la matière ordinaire.

Les ions plomb qui entrent en collision au LHC peuvent concentrer en un volume très faible suffisamment d’énergie pour produire de minuscules gouttes de cet état primordial de la matière, lequel peut être détecté par une large gamme de signaux mesurables. Les articles publiés par la collaboration Alice soulignent une augmentation importante du nombre de particules produites dans les collisions par rapport aux expériences précédentes, et confirment que le plasma produit au LHC, beaucoup plus chaud, se comporte comme un liquide à très faible viscosité (un fluide parfait), ce qui est conforme aux observations faites précédemment auprès du collisionneur Rhic de Brookhaven aux États-Unis. L’ensemble de ces résultats a permis d’invalider certaines théories sur le comportement de l’Univers primordial.

Les détecteurs d’Atlas et de CMS ont deux points forts : une configuration hermétique et une très grande puissance de mesure de l’énergie. Ces deux caractéristiques ont permis aux physiciens de mesurer les jets de particules émergeant des collisions.
Les jets de particules se forment lorsque les constituants de base de la matière nucléaire, les quarks et les gluons, jaillissent du point de collision. Dans les collisions de protons, ces jets apparaissent habituellement par paires, en quelque sorte "dos à dos". Dans les collisions d’ions lourds, au contraire, les jets interagissent dans les conditions tumultueuses du milieu, qui est dense et chaud. Cette situation produit un signal caractéristique, appelé "étouffement des jets", dans laquelle l’énergie des jets peut se dégrader très fortement, révélant ainsi des interactions avec le milieu plus intenses que tout ce qui a pu être observé précédemment.
La mesure de l’étouffement des jets par Atlas et CMS constitue ainsi un outil puissant pour l’étude approfondie du comportement du plasma.

Cette mesure de l’étouffement des jets, ainsi que de nombreuses autres mesures, permettront aux trois expériences du LHC de nous renseigner sur les propriétés du plasma primordial et les interactions entre les quarks et les gluons.

Bien que le volume des données attendu au LHC pour 2010 soit d’ores et déjà atteint, l’acquisition des données se poursuivra jusqu’au 6 décembre. Leur analyse est cruciale car elle pourrait permettre d’identifier un modèle plus complet du plasma quarks-gluons, et par conséquent de l’Univers primordial.

À suivre en direct

Les résultats des trois expériences seront présentés lors d’un séminaire le 2 décembre au Cern, visible en direct par webcast. Voir le programme.

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