LHCb va étudier le plasma quark-gluon à l'aide d'une cible fixe gazeuse

Publié par Redbran le 01/12/2020 à 13:00
Source: CNRS IN2P3

Système SMOG2
© CERN 2020, Noemi Caraban Gonzalez
Une cible fixe gazeuse, baptisée SMOG2, équipe le détecteur LHCb au CERN depuis le mois d'août. Ce dispositif permettra aux particules du faisceau du LHC d'interagir avec le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) injecté. Il fournira ainsi des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) inédites sur le plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) de quarks et gluons et l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) forte. L'équipe LHCb du laboratoire Leprince-Ringuet (LLR) de Palaiseau, précurseur de ce programme de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...), sera à l'avant-garde de ces études.

C'est inédit. Le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) LHCb devient la première expérience du LHC capable d'enregistrer simultanément des collisions faisceau-faisceau et des collisions faisceau-cible fixe. Et ce grâce à un nouvel injecteur (Un injecteur est un élément de moteur permettant l'apport du carburant dans la chambre de...) de gaz, installé début août en amont du détecteur VELO (localisateur de vertex) de LHCb: SMOG2. Le système injectera des gaz inertes dans une cellule de stockage installée dans le tube du LHC, sans pour autant perturber l'ultravide des autres zones du collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux...). Les pompes à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) situées à proximité évacueront le gaz qui s'échappera de la cellule, avant qu'il n'ait eu le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de s'étendre.

Ce n'est pas en fait la première fois qu'un injecteur de gaz est utilisé au LHC. Son prédécesseur, SMOG, a été testé pendant une centaine d'heures (L'heure est une unité de mesure  :) dédiées, en 2015 et 2016. Le LLR avait déjà été impliqué dans ces campagnes de prise de données et a pu produire des mesures inédites confirmant l'intérêt scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) des collisions proton-gaz. C'est aussi à partir de ce prototype que la version optimisée a vu le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...). Émilie Maurice, enseignante-chercheuse à l'École polytechnique précise: "La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de collisions attendue dans la cellule de stockage augmentera jusqu'à un facteur 100 par rapport à la configuration précédente". En effet, grâce à SMOG2, la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du gaz sera augmentée de deux ordres de grandeur. Un plus grand jeu de données permettra de réduire les incertitudes sur les mesures.

Autre défi: la cellule ne doit pas obstruer le passage du faisceau de protons, notamment lors des phases d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) durant lesquelles il est instable. Les scientifiques de la collaboration LHCb ont alors eu l'idée de construire deux demi-cellules attachées et alignées avec une précision de 200 micromètres aux deux moitiés du VELO. Celles-ci s'écarteront l'une de l'autre lors des phases d'injection et de stabilisation des faisceaux, puis se rapprocheront lorsque les mesures devront être prises. "Depuis son installation, les cycles ouverture/fermeture de SMOG2 ont été testés avec succès," précise la chercheuse. "Il ne reste plus qu'à attendre le redémarrage du LHC début 2022 pour analyser les premières collisions proton-noyaux. Quant aux études des collisions plomb-noyau, il faudra patienter jusqu'aux faisceaux de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...), prévus fin 2022".


Partie amont du système SMOG2. Le gaz qui sera traversé par le faisceau de particules du LHC est contenu dans la cellule de stockage, en arrière-plan sur la gauche de la structure. © 2020 CERN, Noemi Caraban Gonzalez

Étudier le plasma de quarks et gluons

SMOG2 servira notamment à étudier le plasma de quarks et de gluons, état qu'avait la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) à la naissance de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), quelques microsecondes après le Big-Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a...). Pour ce faire, "nous observons les mésons J/Y et D0, qui sont constitués de quarks charme (Les charmes constituent un genre d'arbres et d'arbustes de la famille des Bétulacées...)" explique Frédéric Fleuret,responsable de l'équipe LHCb du LLR. Ces particules, produites aux premiers instants de la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...), sont soumises à toutes les phases d'évolution du plasma, ce qui en fait des sondes privilégiées. "Avec ce programme, LHCb va ouvrir de nouvelles voies très prometteuses pour l'étude et la caractérisation du plasma de quarks et de gluons" continue Frédéric Fleuret. Pour mener au mieux ces travaux, l'équipe du LLR a été acceptée, en septembre 2020, en tant que membre de plein droit au sein de la collaboration.


MOG2 en cours d'installation dans la caverne LHCb. On distingue les deux moitiés du VELO de part et d'autre de l'axe du faisceau. © 2020 CERN, Noemi Caraban Gonzalez

En savoir plus:
Plus de détails sur le Laboratoire Leprince-Riguet rejoignant la collaboration LHCb:
https://llr.in2p3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de...).fr/le-llr-rejoint-la-collaboration-lhcb

Contacts:
- Emilie Maurice - Enseignante chercheuse à l'Ecole Polytechnique
- Frédéric Fleuret - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) (Laboratoire Leprince Riguet)
- Laurent Vacavant - Directeur adjoint scientifique "Particules et Hadronique" (IN2P3) - vacavant at in2p3.fr
- Agathe Delepaut - Chargée de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) - agathe.delepaut at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
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