Les expériences LHC ouvrent de nouveaux horizons sur la matière de l'Univers primordial

Genève, le 13 août 2012. Les expériences utilisant des ions lourds au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN1 progressent dans leur compréhension de l’Univers primordial. Les collaborations ALICE, ATLAS et CMS ont effectué de nouvelles mesures du type de matière qui existait probablement aux premiers instants de l’Univers. Elles présenteront leurs derniers résultats à la conférence Quark Matter 2012, qui s’ouvre aujourd’hui à Washington, DC. Ces nouveaux résultats reposent essentiellement sur l'exploitation du LHC avec des ions plomb pendant quatre semaines en 2011, laquelle a permis aux expériences de recueillir 20 fois plus de données qu’en 2010.

Immédiatement après le Big Bang, les quarks et les gluons – les constituants fondamentaux de la matière – n’étaient pas confinés à l’intérieur de particules composites, telles que les protons et les neutrons, comme ils le sont aujourd'hui. Ils se déplaçaient librement dans un état de la matière appelé « plasma quarks-gluons ». Les collisions d’ions plomb qui se produisent dans le LHC, le plus puissant des accélérateurs de particules du monde, recréent durant un instant fugace des conditions semblables à celles qui régnaient dans l’Univers primordial. En examinant près d’un milliard de ces collisions, les expériences ont pu effectuer des mesures plus précises des propriétés de la matière dans ces conditions extrêmes. 

« La recherche en physique des ions lourds est d’une importance cruciale pour l’étude des propriétés de la matière dans l’Univers primordial, l’une des questions essentielles de physique fondamentale que le LHC et ses expériences visent à élucider. Outre les recherches sur le boson récemment découvert dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs, les physiciens du LHC étudient en effet de nombreux autres phénomènes importants, aussi bien dans les collisions proton-proton que dans les collisions plomb-plomb, »déclare le Directeur général du CERN, Rolf Heuer.

Lors de la conférence, les collaborations ALICE, ATLAS et CMS présenteront des caractérisations affinées de la matière la plus dense et la plus chaude jamais étudiée en laboratoire – 100 000 fois plus chaude qu’à l’intérieur du Soleil et plus dense qu’une étoile à neutrons.

ALICE présentera une multitude de nouveaux résultats sur tous les aspects de l’évolution – dans l’espace et dans le temps – de la matière très dense en interaction forte. Parmi les domaines d’étude importants figurent les « particules charmées », qui contiennent un quark ou un anti-quark charmé. Les quarks charmés, 100 fois plus lourds que les quarks up et les quarks down formant la matière ordinaire, sont nettement décélérés à leur passage à travers le plasma quarks-gluons, ce qui offre aux chercheurs un outil exceptionnel pour l’étude de ses propriétés. Les physiciens d’ALICE feront état d’observations indiquant que le flux dans le plasma est si fort qu’il entraîne avec lui les lourdes particules charmées. L’expérience a également observé des indices de l’existence d’un phénomène de « thermalisation », qui fait intervenir la recombinaison des quarks charmés avec des anti-quarks charmés pour former ce que l’on appelle le « charmonium ».

« Il s’agit là simplement d’un exemple important des possibilités scientifiques à la portée de l’expérience ALICE, souligne Paolo Giubellino, porte-parole de la collaboration ALICE. Grâce aux données supplémentaires qui sont en cours d’analyse et à celles qui auront été acquises en février prochain, nous n’avons jamais été si près d’élucider les propriétés de l’état primordial de l’Univers : le plasma quarks-gluons. »

Dans les années 1980, la dissociation initiale du charmonium a été proposée comme la signature directe de la formation du plasma quarks-gluons, et les premières indications expérimentales de cette dissociation ont été signalées en 2000 par les expériences avec cibles fixes menées auprès du Supersynchrotron à protons. Aujourd’hui, l’énergie bien plus élevée du LHC permet pour la première fois d’étudier des états étroitement liés équivalents pour des quarks beauté, encore plus lourds. L’hypothèse était que, en fonction de leur énergie de liaison, certains de ces états « se fonderaient » dans le plasma produit, alors que d'autres survivraient aux températures extrêmes. L’expérience CMS observe à présent des indices clairs de la suppression séquentielle supposée des états quark-antiquark (appelés « quarkonium »).

« CMS présentera de nouveaux résultats importants sur les ions lourds, concernant non seulement la suppression du quarkonium, mais également les propriétés générales du milieu, et diverses études de la suppression des jets, indique le porte-parole de l’expérience CMS, Joseph Incandela. Nous entrons dans une nouvelle ère passionnante de la recherche de haute précision sur la matière en interaction forte aux énergies les plus élevées jamais produites en laboratoire. » 

La suppression des jets est le phénomène caractérisé par la désintégration de gerbes de particules d'énergie élevée dans le plasma quarks-gluons dense. Ce phénomène apporte aux chercheurs des informations détaillées sur la densité et les propriétés de la matière produite. ATLAS communiquera de nouveaux résultats sur la suppression des jets, notamment une étude de haute précision de la manière dont les jets se fragmentent dans la matière, et sur les corrélations entre les jets et les bosons électrofaibles. Ces nouveaux enseignements sont complémentaires d’autres études très intéressantes, notamment des résultats novateurs sur le flux du plasma. 

« Nous nous trouvons dans une nouvelle phase, où non seulement nous observons le phénomène du plasma quarks-gluons, mais où nous pouvons également effectuer des mesures très précises à l’aide de sondes diverses, déclare la porte-parole de la collaboration ATLAS, Fabiola Gianotti. Ces études contribueront pour beaucoup à notre compréhension de l’Univers primordial. »

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Note(s)

1. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche du monde en physique des particules. Il a son siège à Genève. Ses États membres actuels sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République slovaque, République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse. La Roumanie a le statut de candidat à l’adhésion. Israël et la Serbie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. La Commission européenne, les États-Unis d'Amérique, la Fédération de Russie, l'Inde, le Japon, la Turquie et l'UNESCO ont le statut d'observateur.

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