Physique des ions lourds au LHC

Avec le programme ions lourds du LHC, des faisceaux de noyaux lourds (« ions ») entreront en collision à des énergies jusqu’à 30 fois supérieures à celles jamais atteintes auparavant dans le cadre d’expériences en laboratoire. Dans ces collisions d’ions lourds, la matière est portée à une température plus de 100 000 fois supérieure à celle qui règne au centre du Soleil, recréant ainsi les conditions qui prévalaient quelques microsecondes après le Big Bang. L’objectif du programme ions lourds du LHC est de produire cette matière à des températures et des densités jamais atteintes en laboratoire et d’étudier en détail ses propriétés. On pourrait alors obtenir de nouveaux enseignements essentiels sur la nature de l'interaction forte entre les particules fondamentales.

L’interaction forte est la force fondamentale qui lie des particules élémentaires de la nature appelées quarks pour former des objets plus grands comme les protons et les neutrons, constituants de base des éléments atomiques. On connait bien à présent le mécanisme par lequel les particules élémentaires porteuses de l’interaction forte, les gluons, lient les quarks pour former les protons et les neutrons. Deux aspects de l’interaction forte restent toutefois particulièrement troublants.

Premièrement, aucun quark n’a jamais été observé isolément : il semble que les quarks et les gluons soient confinés en permanence dans des particules composites, telles que les protons et les neutrons. Deuxièmement, les protons et les neutrons contiennent trois quarks, mais la masse de ces trois quarks ne représente qu’un pourcent de la masse totale d’un proton ou d’un neutron. Donc, si le mécanisme de Higgs pourrait expliquer la masse de chacun des quarks, il ne peut justifier l’essentiel de la masse de la matière ordinaire.

Selon la théorie actuelle des interactions fortes, appelée chromodynamique quantique, à des températures très élevées, les quarks et les gluons ne sont pas confinés et se déplacent librement dans un nouvel état de la matière connu sous le nom de plasma quark-gluon. Toujours selon cette théorie, à la même température, le mécanisme qui donne aux particules composites l’essentiel de leur masse cesse d’agir.

Dans le programme ions lourds du LHC, trois expériences (ALICE, ATLAS et CMS) ont pour objectif de produire et d’étudier cette phase extrême de la matière à haute température et d’éclairer sous un nouveau jour la question de savoir comment s’est formée l'essentiel de la masse de la matière visible de l'Univers dans les premières secondes qui ont suivi le Big Bang.