Énigme au LHC : des collisions de protons vraiment trop étranges

Des collisions de protons produisent des particules étranges, au sens propre comme au figuré, qui surprennent beaucoup les théoriciens de la physique des hadrons. Ce phénomène n’était connu jusqu’à présent que lors de collisions d’ions lourds conduisant à la formation du plasma de quarks et de gluons tel qu’il en existait pendant le Big Bang.

Au début des années 1950, alors qu’il délaissait la physique nucléaire pour se plonger dans l’étude des particules élémentaires, Enrico Fermi suspectait qu’elles ne pourraient être comprise qu’avec des équations non linéaires. C’est ce qui l’a conduit à lancer la première expérimentation numérique sur ordinateur en physique et en mathématique, à l’assaut du fameux problème de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. Werner Heisenberg jouait visiblement avec des idées similaires puisqu’il allait proposer la même décennie une théorie unifiée de ces particules élémentaires à l’aide d’une équation non linéaire.

L’avenir allait leur donner raison puisque le modèle électrofaible et surtout la chromodynamique quantique, la QCD, la théorie des forces nucléaires fortes basées sur le modèle des quarks, allaient effectivement faire usage d’équations non linéaires, dites de Yang-Mills. Mais le contenu physique de ces équations, comme le savait Fermi, reste difficile à explorer et des phénomènes surprenants y restent sans aucun doute cachés. C’est probablement ce que l’on vient de découvrir au LHC, une fois de plus, en étudiant des collisions de protons avec le détecteur Alice, avant tout destiné à percer les secrets du quagma, le plasma de quarks et de gluons.

De même que des détecteurs comme Atlas et CMS peuvent être utilisés pour étudier le quagma avec des collisions d’ions lourds générant un grand nombre d’hadrons, Alice peut servir à étudier des collisions de protons générant elles aussi un très grand nombre de telles particules formées de quarks. Dans un travail de ce genre, comme ils l’expliquent dans un article publié dans Nature Physics, les chercheurs du CERN sont tombés sur une surprise.

Alice CERN

Une vue d’Alice (A Large Ion Collider Experiment) au Cern. Ce détecteur géant permet d’explorer la physique du plasma de quarks-gluons au LHC. (Source : CERN)

Les quarks semblent devoir rester confinés dans les hadrons et ne jamais pouvoir être observés individuellement à l’état libre, au contraire d’un électron ou d’un méson, repérables dans une chambre à bulle. En revanche, lorsque des hadrons entrent en collision à hautes énergies, il peut se former un plasma de quarks et de gluons (les cousins des photons dans la QCD), très dense et très chaud, le quagma, dans lequel ils se déplacent librement avant de se « condenser » en gouttes de liquide hadronique visqueux à températures plus basses. Il se produit ainsi une « hadronisation » des quarks et des gluons, qui deviennent des baryons ou des mésons.

Cette hadronisation se produit aussi sans formation de quagma. Le signe qui indique au chercheur que celui-ci est apparu de façon transitoire est une augmentation du nombre d’hadrons dit étranges dans les produits de réactions finaux. Ces hadrons sont appelés de cette façon parce qu’ils contiennent au moins un quark dit étrange, ou s, pour strange (ou son antiparticule). C’est le cas pour les mésons appelés kaons ou les hypérons appelés lambdas par exemple.

Jusqu’à présent, une augmentation d’hadrons étranges n’avait été observée que lors de collisions d’ions lourds. D’où l’étonnement des chercheurs quand Alice semble montrer que ce phénomène peut se produire aussi après des collisions individuelles de protons. Contrairement à ce qui s’est passé dans les collisions d’ions lourds, le phénomène n’avait pas été anticipé par les théoriciens de la QCD.

Alice hadrons étranges

Les protons contiennent des quarks u et d mais pas de quark s (étrange) comme d’autres hadrons représentés sur ce schéma. On voit une augmentation de la quantité de hadrons étranges produits dans les collisions vues par Alice sous forme de gerbes de particules secondaires dans le détecteur en arrière-plan. (Source : CERN)

Le phénomène est pour le moment énigmatique mais, selon le physicien Federico Antinori, porte-parole de la collaboration Alice : « Cette découverte est sensationnelle ! Nous en apprenons à nouveau beaucoup sur cet état extrême de la matière. La possibilité d’isoler ce phénomène associé au plasma quarks-gluons dans un système plus petit et plus simple, celui de la collision entre deux protons, ouvre une dimension entièrement nouvelle pour l’étude des propriétés de l’état primordial dont notre Univers est issu ».

Un plasma de quarks et de gluons à l’origine des nucléons des atomes devait en effet exister dans une phase très primitive du cosmos au moment du Big Bang, celle de l’ère hadronique.

Source : Futura-Sciences

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