La physique des ions lourds est un domaine de physique fondamentale exploré par deux équipes du Laboratoire Leprince Ringuet (LLR) : l’équipe CMS qui va accueillir prochainement Leticia Cunqueiro, et l’équipe LHCb qui travaille elle aussi sur la compréhension du plasma de quarks et de gluons produits dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes.

Quelle différence entre ces deux expériences ? L’énergie de la collision.

En effet, sur CMS, ce sont deux ions lourds accélérés qui se heurtent de plein fouet face à face. L’énergie est très importante et le plasma quark-gluon produit, fortement couplé et très chaud, est le siège de plusieurs phénomènes complexes qu’il faut réussir à décorréler pour comprendre l’interaction forte à haute température.

Dans le cas de LHCb, grâce à la cible gazeuse SMOG2 installée cet été, l’équipe du LLR va étudier des données de collisions entre des ions lourds et des atomes « lents » injectés au point d’interaction de l’expérience. « On reprend le principe des expériences qu’on pouvait réaliser avec les premiers accélérateurs, avec beaucoup moins d’énergie, mais cette fois avec les dernières technologies pour comprendre ce qui se passe à basse énergie dans le plasma quark-gluon » explique Frédéric Fleuret, directeur de recherche CNRS au LLR.

En effet, « l’avantage d’avoir moins d’énergie est que le plasma produit par la collision est moins complexe » ajoute Emilie Maurice, professeure assistant au LLR. « Cela nous permettra de caractériser les certains phénomènes indépendamment les uns des autres ».

En testant avec LHCb des mécanismes au sein du plasma comme « l’écrantage de couleur », un phénomène prédit par la théorie mais pas encore caractérisé précisément, les chercheurs vont pouvoir alimenter le décryptage des données des expériences où les mécanismes en jeu dans le plasma sont plus complexes, comme c’est le cas sur CMS. Ces expériences sont complémentaires, s’enrichissent mutuellement pour permettre aux chercheurs d’améliorer notre connaissance des lois de la Nature.

En savoir plus sur la cible SMOG2

Ici, « cible gazeuse » ne signifie pas qu’un gaz comme nous en avons l’habitude, de l’air par exemple, est soufflé dans l’expérience. Les collisions se font sous un vide de 10^-9 mbar et injecter de l’air aurait des conséquences dramatiques sur le matériel. Les gaz injectés, en priorité des gaz nobles (Hélium, Néon, Argon), le seront à une pression de 10^-6 mbar, donc quelques atomes qui se diffuseront et qui viendront entrer en collision avec le faisceau d’ions lourds. Ce principe a été testé avant l’installation de la cible lors d’une phase de mesure des performances du faisceau avec l’expérience LHCb et a montré qu’il était possible de faire de la belle physique avec ce type d’injection. Les premières expériences devraient commencer dans quelques mois et démontrer ainsi leur intérêt pour la compréhension du plasma de quarks et gluons.