LHC: étudier le plasma de quarks et de gluons qui aurait existé dans l'Univers primordial

Publié par Redbran le 05/07/2020 à 13:00
Source: CEA IRFU
L'édition 2020 de la conférence sur la physique auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHCP) s'est déroulé du 25 au 30 mai 2020. La collaboration ALICE y a présenté de nouveaux résultats montrant comment les particules charmées (celles qui contiennent des quarks, composants élémentaires de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière...), dits c) peuvent jouer le rôle de "messagers" du plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne s'effondrent en...) de quarks et gluons, qui aurait existé dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) primordial et qui peut être recréé lors de collisions d'ions lourds dans le Grand Collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de Hadrons (LHC).

En étudiant les particules charmées, les scientifiques peuvent en savoir davantage sur les hadrons, particules dans lesquelles les quarks sont liés par des gluons, ainsi que sur le plasma de quarks et gluons, état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne définition de la phase d'un système est « une région de l'espace des paramètres...) dans lequel les quarks et les gluons ne sont pas confinés à l'intérieur des hadrons. Ces nouveaux résultats sont le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le péricarpe du fruit et l'ovule...) d'une analyse menée dans le cadre d'une thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il évoque.) actuellement en cours au DPhN.


Figure 1. Mesure du flot elliptique des pions (croix noire) ne contenant pas de quark lourd, des mésons D (cercle orange) contenant un quark c, des mésons J/ψ (cercle rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et rose) formés d'un quark c et son antiquark, des électrons provenant de la décroissance de mésons B (carré violet) content un quark b, et des mésons Υ(1S) (carré bleu) formés d'un quark b et son antiquark, dans les collisions de noyaux de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) au LHC en fonction de l'impulsion transverse pT. Les barres indiquent la taille des incertitudes statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la...), et les rectangles celles des incertitudes systématiques.

La collaboration ALICE a mesuré, dans des collisions d'ions lourds, le flot elliptique d'hadrons contenant un quark c, lié soit à un quark léger (formant un méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.) D), soit à un antiquark c (formant un méson J/ψ). Les hadrons contenant des quarks lourds, à savoir le quark c ou le quark b, sont d'excellents "messagers" du plasma de quarks et de gluons formé dans ces collisions. Ils sont produits lors des phases initiales des collisions, avant la formation du plasma, et ainsi, interagissent avec les constituants du plasma tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au long de son évolution, depuis sa phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'expansion rapide jusqu'à son refroidissement et sa transformation en hadrons.

Lorsque les noyaux lourds n'entrent pas en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) frontale, le plasma s'allonge et son expansion conduit à une modulation principalement elliptique de la distribution de l'impulsion des hadrons (le flot). La collaboration ALICE a constaté que, pour une faible impulsion, le flot elliptique des mésons D est moindre que celui des pions, qui ne contiennent que des quarks légers, et que le flot elliptique des mésons J/ψ [1] est plus faible que celui des deux autres mais peut néanmoins être observé distinctement.

"Ce profil indique que les quarks c lourds sont entraînés par l'expansion du plasma de quarks de gluons, mais probablement dans une moindre mesure que les quarks légers, et que les mésons D comme les mésons J/ψ, à de faibles impulsions, sont en partie formés par la liaison, ou recombinaison, de quarks en mouvement, explique Luciano Musa, porte-parole d'ALICE.".

Une autre mesure réalisée par l'équipe d'ALICE concernant le flot d'électrons issu des désintégrations d'hadrons B, qui contiennent un quark b, indique que les quarks b sont également sensibles à l'allongement du plasma de quarks et de gluons. Les particules Upsilon, qui sont constituées d'un quark b et de son antiquark (et non pas d'un quark c et d'un antiquark c, comme c'est le cas de la particule J/ψ) ne présentent pas un flot significatif [2], probablement en raison de leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) beaucoup plus élevée et du faible nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de quarks b pouvant se prêter à une recombinaison.

Ces résultats sont illustrés par la figure 1 qui montre le flot elliptique de diverses particules, depuis les pions ne contenant pas de quarks lourds, en passant par les mésons J/ψ, jusqu'aux mésons Upsilon, mesuré par ALICE dans des collisions entre noyaux de plomb au LHC.

Le flot des quarks lourds sera d'avantage étudié avec le lot de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) bien plus large qui sera acquis par la Collaboration lors des Runs 3 et 4 du LHC prévus à partir de 2021 et pour lesquels des améliorations du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) sont en cours.

Références:
[1] ALICE Collaboration, arXiv:2005.14518.
[2] ALICE Collaboration, Phys. Rev. Lett. 123 (2019) 192301.

Contacts:
Javier Castillo Castelanos
Robin Caron
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