Plasma quark - gluon

1. Introduction générale

Nous savons tous que la matière existe dans la nature dans des états différents : sous forme solide, liquide, gazeuse et dans l’état de plasma où les constituants atomiques se trouvent plus ou moins dissociés en un gaz d’ions. Chacun de ces états s’appelle aussi une phase. Une phase se distingue d’une autre par les propriétés physiques que présente la matière. Tout un chacun a intuitivement rencontré le concept de phase au travers de l’exemple classique de l’eau que l’on trouve sur Terre dans les états de glace en phase solide, d’eau liquide et de vapeur d’eau.

La phase d’un matériau est déterminée par la valeur de quelques paramètres seulement : la température, la pression, la densité. Pour des valeurs données de ces paramètres, il est alors possible de prévoir l’état du matériau pourvu que l’on dispose d’une équation qui relie entre eux ces paramètres. Une telle équation s’appelle une équation d’état.

La notion de phase, et du même coup celle d’équation d’état, peut-elle être transposée à la matière nucléaire? Cette interrogation n’est pas motivée par un intérêt purement académique ; une réponse positive à cette question impliquerait la possibilité de prévoir le comportement de la matière dans le cœur des étoiles par exemple, ou encore de comprendre la formation des particules élémentaires quelques fragments de microsecondes après le « Big Bang » !

Si cette hypothèse s’avérait exacte alors la matière nucléaire pourrait présenter une phase équivalente au plasma, c'est-à-dire un état où les protons et les neutrons seraient « dissous » en leurs constituants internes : les hypothétiques quarks et gluons. La mise en évidence d’un plasma quark-gluon aurait un double impact sur la physique contemporaine : elle permettrait d’étudier la théorie des interactions fortes et ouvrirait de larges horizons dans la compréhension de la structure nucléaire.

2. La brique élémentaire de la matière nucléaire : les quarks

A la fin des années 1930, la physique atomique et subatomique avait progressé considérablement. La naissance de la mécanique quantique assurait de nouvelles bases théoriques à l’étude des phénomènes physiques à l’échelle microscopique d’une part et d’autre part les recherches expérimentales avaient fermement établi la structure de l’atome. Ce dernier était composé d’un noyau constitué de protons (particule élémentaire de charge électrique positive) et de neutrons (particule élémentaire sans charge électrique) ainsi que d’électrons électriquement négatifs formant un nuage autour du noyau. Alors que l’atomisme avait réduit la complexité et la diversité des matériaux qui nous entourent à 92 éléments fondamentaux classés rationnellement dans la table de Mendeleiev, au terme de la première moitié du XXe siècle les physiciens étaient parvenus à réduire la matière à la combinaison de trois particules élémentaires. La nature devenait tout à coup beaucoup plus simple.

Or, les protons confinés dans les noyaux atomiques - dont les dimensions sont de l’ordre de 10^-15 m (ou 1 femtomètre) - sont soumis à des forces de répulsion électrostatique vertigineuses. Ramenées à une masse de 1 kg, ces forces s’élèvent à 1011 N. Pour assurer la stabilité des noyaux atomiques une autre force, attractive celle-ci, doit nécessairement exister pour compenser la répulsion électrostatique, sans quoi les noyaux voleraient immédiatement en éclat. Cette force fut baptisée la force forte, en référence à son intensité considérable. La force forte, ou interaction forte, n’étant pas observée à notre échelle, elle doit donc agir avec une très courte portée, de l’ordre de la dimension des noyaux atomiques. Le physicien japonais Hideki Yukawa proposa en 1935 un modèle de l’interaction forte qui rendait compte des principales propriétés de celle-ci. Ce modèle introduisait trois nouvelles particules, les particules pi ou pions, comme vecteur de l’interaction : les protons et les neutrons se collent les uns aux autres en échangeant des pions. Les pions furent découverts en 1947 par le groupe de Cecil F. Powell à partir d’émulsions exposées au rayonnement cosmique.

Dans le courant des années 1950 et 1960, le développement des accélérateurs de particules (cyclotrons et synchrotrons) et de détecteurs plus efficaces comme les chambres à bulles révélèrent un paysage du monde des particules sensiblement différent : l’on dénombrait alors plusieurs centaines de particules différentes ! L’élémentarité de ces objets paraissait alors de moins en moins crédible face à cette complexité. En 1964 Murray Gell-Mann proposa une théorie dans laquelle la majorité des particules sont composées de constituants plus fondamentaux qu’il appela - en empruntant leur nom à un poème de James Joyce tiré de « The Finnegan’s Wake » - les quarks.

La théorie des quarks initiale prévoyait l’existence de trois quarks : les quarks u(pour up), d (pour down) et s (pour strange). On put alors classer la multitude des particules en trois groupes :

• Des particules ne contenant pas de quarks, baptisées leptons, dont les principaux représentants sont l’électron, le muon et le neutrino

• Des particules contenant deux quarks - un quark et un anti-quark - nommées mésons. Les pions sont des mésons

• Des particules contenant trois quarks - ou baryons - comme le proton et le neutron.

Les baryons et les mésons forment une famille plus large nommée hadrons. Les hadrons se distinguent des leptons en cela qu’ils sont constitués de quarks. Selon les théories actuelles, les leptons seraient de vraies particules élémentaires au même titre que les quarks.

Par analogie avec l’électrodynamique quantique, on attribua une charge aux quarks spécifique à l’interaction forte, symboliquement représentée par les trois couleurs primaires : rouge, bleu et jaune. Pour cette raison, cette théorie porte le nom de chromodynamique quantique. Ce code de couleur est purement abstrait (il ne faut surtout pas s’imaginer que les quarks sont colorés!). L’absence de charge de couleur (c'est-à-dire la neutralité vis à vis de l’interaction forte) se traduit par la couleur blanche, qui n’est autre que la somme des trois couleurs primaires (de la même manière que la somme +e et -e donne 0) ou la somme d’une couleur et de son anti-couleur (ou couleur complémentaire). Dans le modèle de la chromodynamique quantique, les forces qui collent les quarks entre eux sont véhiculées par des particules - les quanta de l’interaction - nommées gluons. A la différence du photon qui n’est pas chargé, les gluons portent une charge de couleur. La théorie prévoit 8 gluons différents.

La chromodynamique quantique donne des résultats très précis, en bon accord avec l’expérience. De plus, elle a prédit l’existence de nombreuses particules qui furent découvertes par la suite, comme par exemple le célèbre J/Y composé d’un quark c et de son anti-quark (noté ) et qui va jouer un rôle fondamental, comme nous allons le voir, dans la détection du plasma quark-gluon. Mais la théorie des quarks présente un grave défaut : personne n’a pu encore observer un seul quark à l’état libre ! En d’autres mots, les ingrédients mêmes de la théorie des quarks n’ont toujours pas été mis en évidence ; les quarks restent confinés dans les hadrons.

3. Le déconfinement des quarks: le plasma quark-gluon

Pour tenter d’observer des quarks les physiciens ont utilisé dans les années 1980 des accélérateurs de particules de plus en plus puissants. Ils ont cherché à extirper les quarks des hadrons en les bombardant avec des particules très rapides (des électrons par ex.). Les expériences ont clairement montré des « points durs » à l’intérieur des hadrons, sources de gerbes de particules - des mésons - appelées des jets. Malgré l’énergie considérable communiquée aux particules dans les accélérateurs, aucun quark libre n’a pu être mis en évidence.

Paradoxalement, plus l’énergie des quarks dans un hadron est faible, plus ces derniers semblent libres de leurs mouvements. Inversement, le lien qui les réunit se renforce avec leur énergie. Cette propriété étonnante des quarks s’appelle la liberté asymptotique. Pour fixer les idées, on peut imaginer les quarks dans un hadron comme des boules attachées entre elles par une corde élastique de raideur très élevée ; plus on éloigne les boules, plus la tension des cordes croît. Ce modèle porte le nom de bag model (ou modèle du sac).

La liberté asymptotique s’interprète physiquement très simplement à partir de la forme du potentiel auquel est soumis un quark dans un hadron :

où le premier terme est de forme coulombienne et la composante en sigma est responsable du confinement. Quand la densité de quarks croît, c'est-à-dire quand r décroît, le terme en s tend à s’annuler et le terme coulombien subit un effet d’écran tout à fait comparable à celui qui est observé avec le potentiel électrostatique. A partir d’un certain seuil, appelé longueur de Debye, ce potentiel devient à son tour négligeable : le quark peut se mouvoir librement. La matière ressemble alors à un « bouillon » de quarks et de gluons à l’état libre, c'est-à-dire, dit autrement, à un plasma de quarks et de gluons !

La création d’un tel plasma nécessite une température minimale de 10^10 K (ou encore 300 MeV ) et une densité d’énergie supérieure à 3 GeV/fm3 ; en comparaison, la densité d’énergie à l’intérieur d’un noyau atomique « froid » est de l’ordre de 0,17 GeV/fm3.

4. Création et détection d'un plasma quark-gluon

Durant les années 1980 et 1990 une série d’expériences (NA 38, NA39, NA49, NA 50, WA97 et WA98 sur le SPS du CERN par ex.) ont tiré profit de la liberté asymptotique des quarks, en comprimant fortement les hadrons, dans le but de créer un plasma de quarks et de gluons. Dans un premier temps, les physiciens ont bombardé des cibles fixes avec des noyaux légers (NA38 par ex.) à une énergie de 200 GeV par nucléon. Puis, les noyaux légers ont été remplacés par des noyaux de plomb (cas de NA50), dont l’énergie atteignait 158 GeV par nucléon. Lors d’une collision frontale la densité d’énergie libérée au cœur des noyaux s’élève à 5 Gev/fm3 ; les conditions de formation d’un plasma quark-gluon sont donc théoriquement réunies. Se pose alors une question fondamentale : une fois le plasma créé, comment le mettre en évidence ?

La difficulté de l’entreprise réside dans les dimensions spatiales et temporelles du plasma quark-gluon : il est confiné dans un très petit volume de l’ordre de quelques femtomètres et sa durée de vie ne dépasse pas 10^-23 s. Ces chiffres éloquents montrent qu’il n’est pas envisageable d’observer directement un plasma quark-gluon mais plutôt les produits qui découlent de sa formation. Heureusement un tel plasma laisse des « traces » ou signatures que les physiciens savent reconnaître. Parmi les signatures auxquelles l’on s’attend, nous allons nous pencher sur trois d’entre-elles :

• Le défaut de production de mésons J/Y

• La production de particules « étranges ».

• La création de photons thermiques

Le défaut de production de mésons J/Y

Aux très hautes énergies qui nous intéressent, des paires de quarks « charmés » c et c vont pouvoir se matérialiser. Les c et c se lient en un méson connu cc, comme nous l’avons vu plus haut, sous le nom de J/Y. Les deux quarks ne restent pas longtemps dans cet état lié ; très vite (au bout de 10^-23 s) ils s’annihilent en produisant aussi une paire lepton-antilepton (dont µ^-µ⁺). Ce phénomène est très bien connu des physiciens, c’est celui-là même qui permit la découverte du J/Y. Lorsque l’on mesure le nombre de paires µ^-µ⁺ produites en fonction de l’énergie mise en jeu (on dit que l’on mesure le spectre des muons) on observe pour une énergie égale à la masse du J/Y un pic trahissant la création de celui-ci.

D’autres phénomènes participent au spectre des muons. Notamment, sous l’action de la force de couleur les quarks et les antiquarks se rapprochent et s’annihilent presque aussitôt après avoir été créés en émettant un photon virtuel qui se matérialise à son tour en une paire de lepton-antilepton - particules plus légères - comme par exemple une paire électron-positron (e^-e⁺) ou muon-antimuon (µ^-µ⁺). On appelle les paires de leptons ainsi formées des paires de Drell-Yan, et la réaction qui leur a donné naissance: q + q -> photon virtuel -> lepton + anti-lepton, le processus de Drell-Yan.

Dans le cas d’un plasma quark-gluon, la force de couleur qui attire les quarks des paires cc s’annule sous l’effet d’écran de la force forte. Les quarks c et c ne vont pas se lier dans un J/Y mais plutôt poursuivre leur chemin séparément. Ainsi, l’on devrait constater une chute anormale du nombre de J/Y créés, signature de la formation d’un plasma quark-gluon. C’est précisément ce que les équipes des expériences NA38 et NA50 ont observé.

La production de particules étranges

Une fois créé, un plasma quark-gluon s’étend très rapidement en se refroidissant tout aussi vite. La densité d’énergie au sein du plasma décroissant, l’intensité de l’interaction forte entre les quarks augmente en entraînant la recombinaison de ces derniers dans des états liés sous forme de hadrons, essentiellement des mésons. C’est le phénomène d’hadronisation que nous avons déjà mentionné. Les hadrons créés après hadronisation sont constitués des quarks qui étaient contenus dans le plasma ; l’analyse des hadrons formés après la collision devrait donc nous renseigner sur la composition du plasma quark-gluon.

Les hautes énergies nécessaires à la création d’un plasma favorisent la matérialisation de quarks lourds comme les quarks « charmés » c et c mais aussi les quarks « étranges » s et s. Comme les quarks « charmés » les quarks s et se trouvent à l’état libre du fait de l’écrantage de la force de couleur. Au lieu de s’annihiler, ils vont se lier dans des baryons (hadrons à 3 quarks).

En présence de plasma, les quarks s et sont plus nombreux ce qui devrait favoriser la création d’un plus grand nombre de baryons « étranges » comme le W composé de trois quarks s ou l’antioméga (constitué de trois antiquarks s). Une forte augmentation de la production de tels baryons constitue donc une bonne signature d’un plasma quark-gluon.

L’expérience WA97 du CERN a mis en œuvre ce principe de détection du plasma quark-gluon. Les résultats ont été spectaculaires : le nombre de W et de l'antioméga a été multiplié par 15 comme le montre la figure précédente ! Ainsi, les physiciens soupçonnent fortement la création d’un plasma de quarks et de gluons.

La création de photons thermiques

Cette technique d’observation du plasma quark-gluon est certainement la plus directe puisqu’elle permet de « voir » le rayonnement émis directement par le plasma.

En effet, lors de la collision entre deux nucléons, une partie de l’énergie est libérée sous forme de rayonnement électromagnétique c'est-à-dire sous forme de photons. Le taux de production et l’énergie de ces photons sont directement liés aux conditions thermodynamiques des quarks et des gluons qui les émettent. D’autre part, les photons interagissent avec la matière par le biais de l’interaction électromagnétique dont ils sont d’ailleurs les vecteurs. Or l’interaction électromagnétique est beaucoup moins intense que l’interaction forte. Il s’ensuit que les photons ont une probabilité relativement faible d’interagir avec les quarks et les gluons environnants. L’analyse du rayonnement électro-magnétique engendré lors de la collision de nucléons nous informe donc fidèlement, avec peu d’altération, sur les conditions physiques et thermiques de la matière nucléaire. Notamment, les photons thermiques sont surtout créés lors de la diffusion d’un gluon par un quark (un peu comme un électron est diffusé par un noyau atomique dans l’expérience de Rutherford) et nous révèlent ainsi l’état physique des quarks.

Les photons thermiques pourraient donc constituer une signature intéressante de la création d’un plasma quark-gluon. Cependant, une grande quantité de photons sont également créés par d’autres phénomènes indépendants du plasma et viennent ainsi perturber les mesures par un important « bruit de fond ».

Certaines expériences, comme WA98 réalisée en 1998 sur l’anneau SPS du CERN, se sont attachées à mesurer les photons thermiques émis lors de collisions entre noyaux. Dans le cadre de WA98 des noyaux de plomb accélérés à 158 GeV / nucléon ont été envoyés contre une cible de plomb fixe. Malheureusement, à ce jour, les énergies atteintes par ces expériences n’ont pas été suffisantes pour permettre de distinguer du « bruit de fond » ambiant le rayonnement thermique émis par un éventuel plasma quark-gluon. On espère, en revanche que les futures expériences du RHIC et du LHC en fourniront les moyens.

5. Les expériences futures

Dans les expériences que nous avons décrites jusqu’à présent, des noyaux lourds (noyaux de plomb par ex.) étaient projetés à haute énergie contre des cibles fixes. Cette technique présente deux inconvénients majeurs :

1. l’énergie mise en jeu n’est pas optimale car l’un des noyaux est fixe au moment de la collision

2. le centre de masse du système constitué par les deux noyaux se déplace très vite. Il en résulte que les particules produites sont projetées à l’arrière de la cible dans un cône très fermé ce qui rend leur détection et leur analyse délicates.

Dans les années 1980, les physiciens ont mis au point un autre type d’accélérateur de particules nommé collisionneurs. Ils sont composés de deux « anneaux » qui se coupent en plusieurs points. Les particules circulent en sens opposé dans chacun des anneaux. Aux intersections elles rentrent en collisions de façon quasiment frontale et libèrent ainsi toute leur énergie. Le centre de masse des noyaux qui se percutent est alors presque immobile. Il s’ensuit que les produits de la collision vont être diffusés dans toutes les directions autour du point d’impact rendant leur analyse plus aisée.

Cette technique peut être employée avec des noyaux lourds plutôt que des particules. Deux accélérateurs de particules vont mettre à profit cette technique, l’un américain le Relativistic Heavy Ion Collider ou RHIC situé au Brookhaven National Laboratory, l’autre européen, le Large Hadron Collider au CERN à Genève.

Deux expériences, parmi les cinq qui sont prévues se dérouler sur le RHIC, sont dédiées à la physique du plasma quark-gluon : STAR (Solenoidal Tracker At RHIC) et Phoenix. Avec le RHIC, la densité d’énergie au cœur de la collision de deux noyaux pourrait atteindre 8 GeV/fm3 (pour rappel le seuil de formation d’un plasma quark-gluon est de l’ordre de 3 GeV/fm3). Le RHIC a opéré ses premiers essais en avril 2000.

Au CERN, le futur LHC devrait entrer en service en 2005. Il permettra d’obtenir des densités d’énergie de l’ordre de 18 GeV/fm3 ! Deux des cinq expériences qui s’y dérouleront étudieront la physique du plasma quark-gluon : les expériences ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

On espère que ces expériences révèleront sans ambiguïté l’existence d’une phase de plasma quark-gluon de la matière nucléaire et permettront même d’en étudier en détail les propriétés physiques. A l’aube du troisième millénaire un nouveau champ de recherche s’ouvre à la physique nucléaire, probablement riche de nombreuses découvertes inattendues.

6. Pour en savoir plus...

Ouvrages de vulgarisation

• Michel Crozon, L’univers des particules, Ed. du Seuil, Coll. Points Sciences, 1999
• Robert Zitoun, La physique des particules, Ed. Nathan Universités, Coll. Sciences 128, 1998
• Les particules élémentaires, Bibliothèque Pour la Science, Diffusion Belin, 1986
• Hans Gutbrod, Horst Stöcker, L’équation d’état de la matière nucléaire, Dossier Pour la Science intitulé « Noyaux atomiques et radioactivité », n° hors série, Octobre 1996
• Claudie Gerschel, A la recherche du plasma de quarks et de gluons, Images de la physique, Ed. du CNRS, 1988

Ouvrages de niveau universitaire

• Luc valentin, Physique subatomique, Noyaux et particules, Ed. Hermann, dernière édition 1994

Sites sur internet

• CERN : http://www.cern.ch
• Expérience NA50 au CERN : http://na50.web.cern.ch/NA50
• RHIC : http://www.rhic.bnl.gov
• Expérience Phoenix au Brookhaven National Laboratory : http://www.phenix.bnl.gov