Le charme caché de la soupe primordiale du LHC

Des analyses récentes réalisées dans les expériences Alice et CMS au LHC, notamment par des équipes de l'IN2P3/CNRS, apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes de suppression et de production des particules formées d'un quark et d'un antiquark charmés lors des collisions d'ions lourds. Leur compréhension est cruciale pour l'étude du plasma de quarks et de gluons, cet état de la matière qui aurait existé juste après le big-bang. Ces résultats ont été soumis aux revues Physical Review Letters et Journal of High Energy Physics.

Au LHC, des ions lourds (des noyaux de plomb) sont accélérés à 99,99997% de la vitesse de la lumière, chacun véhiculant une énergie phénoménale proche de 300 mille milliards d'électronvolts. Les collisions frontales de ces noyaux permettent de créer dans le laboratoire des gouttes de taille femtoscopique (un femtomètre = 10^-15 mètre) d'un nouvel état de la matière nucléaire. À l'intérieur de ces gouttes, les particules telles que protons et neutrons n'existent plus. Leurs constituants fondamentaux, quarks et gluons, nagent dans un bain chauffé à plus de mille milliards de degrés, soit dix mille fois la température du Soleil. Cette matière est dite "déconfinée" car la force transportée par les gluons, capable de "coller" les quarks, est très affaiblie dans un milieu où règne une température si élevée. Pendant les premières microsecondes qui ont suivi le big-bang, l'Univers fut certainement dans cet état, connu sous le nom de plasma de quarks et de gluons (PQG).


Depuis plus de vingt-cinq ans, les quarkonia (1) charmés, en particulier le J/? (prononcer "jipsi"), sont activement étudiés car leur taux de production a été proposé pour caractériser expérimentalement le PQG. Les quarkonia sont en effet très sensibles à la température du milieu produit par la collision d'ions lourds. Si la température est suffisamment élevée, une paire de quarks charmés initialement produite va se dissoudre dans le milieu ambiant sans former d'état lié: c'est ce qu'on appelle la suppression du J/?. Ainsi, plus le PQG est chaud, plus le taux de suppression du J/? est élevé.

Les résultats obtenus au supersynchrotron à protons (SPS) du Cern par l'expérience NA50 et au Rhic du laboratoire de Brookhaven (USA), ont clairement montré une suppression du J/?. Mais leur interprétation n'est pas si simple: l'état lié J/? peut aussi être détruit par la matière nucléaire ordinaire ou froide (par opposition à la matière ultra-chaude constituant le PQG).

Le résultat des mesures effectuées au LHC apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes de suppression et de production du J/?. L'énergie disponible dans les collisions plomb-plomb au LHC est quatorze fois supérieure à celles réalisées au Rhic et la température du PQG y est également plus élevée. Un taux de suppression du J/? au moins égal, sinon supérieur, à celui observé au Rhic était alors attendu. Le résultat obtenu par l'expérience Alice contredit cette prédiction. Le taux de suppression du J/? est en effet moins élevé que celui mesuré précédemment au Rhic et par NA50. Ce surprenant résultat pourrait être dû à un mécanisme de régénération des J/? dans le PQG: les quarks charmés seraient si nombreux qu'ils pourraient recréer des J/? par hasard, à la fin de la vie du plasma. La suppression des J/? aurait-elle disparu au LHC ? À cette question, l'expérience CMS a déjà apporté une réponse très claire en mesurant des J/? plus énergétiques (2) que dans Alice. Leur suppression est plus forte que celle mesurée par Alice et surtout que celle du Rhic, montrant que le PQG créé serait effectivement plus chaud. Les J/? de l'expérience Alice ont des énergies plus faibles et les mécanismes de régénération sont précisément censés jouer un rôle plus important à basse énergie.


De surcroît, un autre article, publié en janvier par la collaboration CMS, ouvre un champ d'investigation pionnier sur les quarkonia formés de quarks beaux, les ? (upsilons), également supprimés. La production du quark beau étant beaucoup plus rare que celle du charme, leur régénération ne devrait pas jouer un grand rôle, ce qui permettra d'utiliser la disparition des upsilons comme thermomètre du plasma.

Les expérimentateurs restent néanmoins prudents et attendent les résultats des analyses en cours grâce à la deuxième campagne d'ions lourds au LHC, qui contient vingt fois plus de données. En outre, les futures collisions proton-plomb du LHC, en novembre 2012, permettront de vérifier le rôle de la matière nucléaire ordinaire dans la suppression du J/?
Affaire à suivre de très près donc, cette mesure n'étant qu'une petite fraction d'une longue série qui devra se dérouler au LHC et qui permettront de mieux caractériser le plasma de quarks et de gluons.

Les équipes du LPC Clermont-Ferrand (3), de l'IPN Lyon (4), de Subatech (5) (Nantes), de l'IPN Orsay (6) et de l'Irfu/CEA (7) ont fortement contribué à la construction du spectromètre à muon d'Alice et ont dirigé les analyses des quarkonia dans l'expérience Alice. L'équipe du LLR (8) (Palaiseau) a dirigé les analyses des quarkonia dans l'expérience CMS.

Notes:

(1) Les quarkonia désignent à la fois des paires formées d'un quark "charmé" (de type "charm") et de son antiquark, et celles formées d'un quark beau et de son antiquark.

(2) La suppression des J/? énergétiques a été initialement rapportée avec une précision moindre par Atlas.

(3) Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand (LPC, CNRS/Université Blaise Pascal).

(4) Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL, CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1).

(5) Laboratoire de physique subatomique et des technologique associées (Subatech, CNRS/IN2P3/Ecole des Mines de Nantes/Université de Nantes).

(6) Institut de physique nucléaire d'Orsay (IPNO, CNRS/Université Paris-Sud).

(7) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers.

(8) Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR, CNRS/IN2P3/École Polytechnique).


Références:

Collaboration CMS, arxiv:1201.5069 soumis à Journal of High Energy Physics: http://arxiv.org/abs/1201.5069

Collaboration Alice, arxiv:1202.1383 soumis à Physical Review Letters: http://arxiv.org/abs/1202.1383