Le plasma de quarks et de gluons
Introduction
Les physiciens décrivent la matière comme étant composée d’atomes, puis de noyaux, de nucléons et enfin de quarks. Ces derniers sont confinés dans les nucléons, liés par l’interaction forte. Cette interaction est le résultat d’un échange de particules, les gluons, entre les quarks. Contrairement au cas des autres forces dans la nature, les gluons subissent eux-mêmes la force forte. Cependant, aux densités d’énergie extrêmement élevées, l’idée qu’un quark déterminé appartienne à un nucléon, perd sa signification. Les quarks existent et se déplacent librement. Le mélange de quarks et gluons qui en résulte est nommé le plasma quark-gluon (vidéos).
Les phases de la matière
L’état dans lequel se trouve la matière dépend de deux paramètres : la température et la densité. Dans l’univers primordial, juste après le Big-Bang, l’univers était extrêmement chaud. Se refroidissant en suivant la courbe rose, les quarks se confinent dans les nucléons et les noyaux se forment.
La matière est fortement comprimée par la gravité dans le coeur des étoiles à neutrons. Les physiciens ont calculé que la densité de la matière pourrait y être dix fois plus grande que dans la matière qui nous entoure.
Dans une collision d’ions lourds au LHC, ces conditions extrêmes sont atteintes, mais pendant un laps de temps très bref.
Les signaux d’un PQG
Pour déceler la formation du plasma de quarks et de gluons, il faut collecter et analyser les milliers de particules émises, lors d’une collision entre ions lourds. Dans la formidable explosion que représente une collision, une grande quantité d’énergie est libérée et de nouvelles particules sont produites en très grand nombre. Le nombre et l’énergie des ces particules sont autant d’indices et de signaux qui nous permettront de savoir si le plasma a effectivement été produit. L’expérience ALICE est composée de plusieurs détecteurs dédiés à l’observation de divers types des particules et signaux. Quelques signatures du PQG possibles :
- La production de photons thermiques, créée dans le chaudron de la collision par fusion entre pairs des quarks et antiquarks
- L’abondance des quarks étranges : les quarks et gluons dans le plasma collisionnent fréquemment entre eux ce qui favorise la formation des quarks autre que ceux déjà présents.
- Modification du taux de production des mésons lourds : les paires de quarks lourds créées lors de la collision peuvent former un état lié de la famille du J/Psi ou du Upsilon. Les quarks lourds qui forment ces particules, sont fortement liés, et donc, en principe, peu affectés par le milieu nucléaire. Les mécanismes de production de ces particules en présence du PQG sont néanmoins très fortement affectés. Ces particules se désintègrent souvent en deux muons et le spectromètre à muons a pour but de les étudier.
