Plasma
SUBATECH Plasma
Les collisions d’ions lourds aux énergies ultra-relativistes ont le potentiel pour créer dans le laboratoire les conditions d’une transition de phase, entre un état hadronique et un état partonique de la matière nucléaire. Si la température et la pression sont suffisamment élevés, les quarks et les gluons pourraient être déconfinés. Cet état appelé plasma de quarks et de gluons (QGP) a du exister brièvement dans les premiers instant de l’univers quelques fractions de secondes après le big bang.
La quête expérimentale du plasma de quarks et de gluons a vraiment commencé dans les années 80 avec les ambitieux programmes de collisions d’ions lourds au CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) en Europe et au BNL (Brookhaven National Laboratory) aux USA. Depuis le milieu des années 90, SUBATECH participe à ces programmes et plus particulièrement aux expériences PHENIX et STAR auprès du RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) à New-York au BNL et à ALICE auprès du LHC (Large Hadron Collider) à Genève au CERN.
To find out more
Les expériences auprès du RHIC
Le RHIC qui est entré en opération en 2000 est actuellement le collisionneur d’ions lourds le plus puissant du monde, jusqu’au démarrage en ions lourds du LHC qui aura une énergie 30 fois plus grande. Les signatures de la formation du plasma sont étudiées selon différentes voies en fonction des caractéristiques des détecteurs. Mais l’approche générale est similaire pour toutes les expériences, une observable est mesurée dans des collisions les plus centrales d’ions les plus lourds possible, ce qui offre le maximum de chance de création d’un plasma de quark et de gluon. Puis la même observable est enregistrée dans des collisions incapable de créer ce plasma, ions plus léger, collisions périphérique …
Dans l’expérience PHENIX, les sondes électromagnétiques (leptons et photons) sont étudiées dans le but de sonder la phase plasma de la collision. En effet, les photons ne sont pas affectés par la matière nucléaire qu’ils traversent et donnent un excellent signal des premiers instants de la réaction au moment où le plasma peut se former. Le groupe de SUBATECH a participé au calorimètre électromagnétique de PHENIX.
SUBATECH participe a trois programmes de physique au sein de l’expérience STAR, dans le but d’obtenir une description complète d’une collision d’ion lourd. Le premier sujet concerne l’identification de la production de particules étranges, (composés de plusieurs quarks, dont au moins un quark de type étrange) motivé par le fait que les quarks étranges n’existent pas dans les ions incidents. Leur présence dans l’état final (dans des hadrons) permet de remonter les différentes étapes de la collision. Le second sujet est l’étude des corrélations de particules qui révèle des informations sur le potentiel d’interaction, la taille et la durée de vie des sources d’émissions et la séquences d’émission, si des particules non identiques entre elles sont considérées. Le troisième sujet est la recherche de particules exotiques, tels les pentaquarks, dont la découverte serait un test important pour le modèle standard.
En plus de ces programmes de recherche, SUBATECH avec l’IPHC de Strasbourg a construit le SSD, détecteur à silicium à micropistes pour le tracker interne de STAR. Le SSD dont l’installation s’est terminée en 2004, améliore les performances de la trajectographie et l’identification des particules de courtes durées de vie, notamment les particules étranges et charmées.
Les expériences auprès du LHC
En septembre 2008, le LHC a produit ses premiers faisceaux de protons. Initialement SUBATECH a participé à la construction de deux détecteurs de l’expérience ALICE, l’Inner Tracker System (ITS) avec des silicium à micropistes et le spectromètre de dimuon. Pour ce dernier, en plus des réalisations techniques, d’importants efforts ont été réalisé pour l’analyse hors ligne tant pour l’étude du fonctionnement du détecteur que pour l’analyse de la physique. Le spectromètre de dimuon est spécifiquement conçu pour l’étude de la production des quarks charm et beauty, qui peuvent donner un signal clair de la phase déconfinée. Une étude innovante est aussi réalisée avec le boson électrofaible W pour observer les fonctions de distributions partoniques des protons et des neutrons et pour établir une nouvelle voie d’étude du plasma de quark et de gluons.
L’implication de SUBATECH dans l’expérience ALICE s’est accrue ces deux dernière années avec deux autres projets. Le premier du fait que SUBATECH est un site de deuxième niveau (Tier 2) dans la grille de calcul du LHC. Le CERN lui même est le Tier 0 et le centre de calcul de Lyon (CCIN2P3) est l’un des Tier 1. La seconde implication concerne la construction d’une partie du nouveau calorimètre électromagnétique d’ALICE (EMCAL). Ce détecteur est composé de 11 ensembles de modules élémentaires. SUBATECH a produit l’un de ces 11 ensembles qui viennent d’être installé au CERN. Le calorimètre électromagnétique offrira à ALICE les outils pour étudier les particules de très grandes énergies qui comme les expérience de RHIC l’ont démontré, contiennent des informations capitales pour révéler la structure interne du Plasma de quarks et de gluons.
