ALICE voit l’origine de l’univers dans une goutte de plasma

ALICE, expérience du Cern chargée de l’étude du plasma quark-gluon au LHC, a repris ses activités le 17 novembre 2015. Ses détecteurs ont pour mission d’épier toute particule émise lorsque des ions de plomb entrent en collision, à des énergies atteignant à présent 5 TeV* par nucléon. Grace aux résultats enregistrés, ALICE est non seulement capable d’améliorer notre compréhension de la matière, mais également de remonter aux origines de l’univers, quelques instants seulement après le big bang. Subatech, unité mixte de recherche sous tutelle de Mines Nantes, du CNRS et de l’université de Nantes, participe à cette grande aventure scientifique.

ALICE. Derrière cet acronyme poétique chargé d’imaginaire, se cache l’une des quatre expériences du large hadron collider (LHC) du Cern. Bien que le grand accélérateur de particules suisse soit mondialement connu pour avoir abrité la découverte du boson de Higgs, d’autres recherches sont menées sur la matière fondamentale. ALICE (pour A large ion collider) est de celles-ci :  sa mission est l’étude et la caractérisation du plasma quark-gluon. « C’est un état de la matière déconfiné, où les interactions liantes des constituants des protons et neutrons sont annihilées » explique Ginés Martinez, chercheur de l’équipe Subatech — affiliée à Mines Nantes, au CNRS et à l’université de Nantes — travaillant pour la collaboration ALICE.

Moins connue qu’ATLAS et CMS, les expériences à l’origine du Nobel de 2013, ALICE n’a pourtant rien à envier à ses deux grandes sœurs : avec ses 16 mètres de haut, ses 26 mètres de long et son poids de 10 000 tonnes, les mensurations du détecteur d’ALICE sont dans la norme superlative du LHC. Si l’accélérateur de particule est monté en gamme depuis mars 2015, avec des énergies de collision atteignant désormais 5 TeV* par nucléon, la mission principale d’ALICE quant à elle n’a véritablement repris que le mois dernier.

Il était une fois, en 2010…

Revenons cinq ans en arrière. Nous sommes en 2010, les premières collisions entre protons — des atomes d’hydrogène sans électrons — se succèdent au LHC. ATLAS, CMS, et même ALICE les observent avec leurs immenses détecteurs. Mais ALICE est en retrait : les collisions entre protons ne sont pas suffisamment énergétiques pour former un plasma de quark et de gluons. Elle le sait : RHIC, un collisionneur plus petit et plus vieux que le LHC basé à Long Island, aux Etats-Unis, l’a déjà démontré. ALICE doit attendre d’autres collisions : celles entre ions plomb — des atomes de plomb également dénudés de leurs électrons. Ces collisions là arriveront la même année, plusieurs mois après le lancement des chocs entre protons.

Mais à chaque fois que la nature de la collision change, « tous les instruments optiques du LHC doivent être recalibrés » décrit Ginés Martinez. Il nous explique ainsi que « les collisions plomb-plomb n’ont lieu que pendant un mois chaque année ». Pour le reste « ce sont les collisions protons-protons qui occupent 90 % du temps d’activité du collisionneur » ajoute-t-il. Pour l’année 2015, les premières collisions plomb-plomb ont eu lieu le 17 novembre dernier, et monopoliseront le LHC jusqu’à la mi-décembre. Le mois de gloire annuel d’ALICE, celui où tout son potentiel se révèle, c’est donc en ce moment-même.

Le lancement du « Run 2 » du LHC en 2015, correspondant à une montée en gamme des énergies de collision, sous les yeux de quelques physiciens d’ALICE. Crédits : Laurent Egli / CERN.

Un plasma très chaud

Pour former ce mystérieux plasma, les ions plomb sont accélérés dans l’anneau du LHC de 27 km de long à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu’ils entrent en collision, ils libèrent alors une énergie considérable. Les protons et les neutrons qui constituent le noyau fondent en une goutte, et libèrent les quarks et les gluons qui les composent. Ces particules font partie, au même titre que les électrons, des constituants fondamentaux de la matière : ils ne peuvent pas être décomposés en éléments plus petits. Le choc est si violent que « la matière atteint des températures incroyablement hautes, de plusieurs billions de degrés » nous confie Ginés Martinez. À côté, même le cœur du Soleil fait pâle figure avec ses 15 millions de degrés.

Avec cette goutte de matière déstructurée, de plasma quark-gluon, commence le travail de l’œil d’ALICE. Car le point de collision est situé sous vide. Or dans le vide, la matière tend à occuper le maximum d’espace. La goutte de plasma s’élargit donc autant qu’elle le peut, jusqu’à disparaître. Le phénomène est similaire à une goutte d’eau qui se retrouverait dans le vide : les molécules H₂O s’écarteraient toutes les unes des autres jusqu’à être si éloignées qu’elles ne formeraient plus un liquide, mais un gaz. Le plasma quark-gluon agit de la sorte. Les détecteurs d’ALICE observent toutes les particules produites et leurs trajectoires lors de l’expansion. « Nous nous intéressons particulièrement aux muons provenant de particules composées de quarks lourds, comme les quarks « charmés » ou « beaux » » précise Ginés Martinez.

ALICE et ses yeux de silicium

Cette palette de particules différentes est expulsée dans une diversité de trajectoires incroyables. Dans leur course, elles traversent de très fines plaques de silicium disposées en plusieurs couches autour du point de collision. À chaque passage d’une particule à travers le silicium, un signal électrique est produit. « Nous pouvons donc établir très précisément la trajectoire de chaque particule émise » explique Ginés Martinez. Et ces données sont cruciales. La trajectoire permet en effet de remonter à la masse de la particule, à son énergie ou encore sa vitesse. Autant d’informations autorisant les physiciens à mieux comprendre comment la matière est constituée.

Modélisation 3D des trajectoires enregistrées par les trajectographes au silicium d’ALICE. Crédits : CERN.

La matière au temps du big bang

Une fois les particules éjectées, un phénomène dit « d’hadronisation » se produit. Comme la goutte est dans le vide, sa température diminue à mesure qu’elle s’élargit. Elle perd une partie de l’énergie résultant de la collision. C’est ainsi que les quarks et les gluons se lient pour former jusqu’à quelques milliers d’espèces différentes de hadrons — parmi lesquels les protons et les neutrons. Ce refroidissement est similaire à celui qu’a connu la matière lorsque l’univers a subi une expansion rapide au moment du big bang.  L’étude du phénomène d’hadronisation permet alors de mieux saisir comment les atomes se sont constitués aux origines de l’univers.

Chaque année, les 1 500 chercheurs de l’expérience ALICE font donc un pas de plus vers la compréhension de ce qui structure la matière. Depuis son lancement, le projet a déjà permis de prouver l’existence d’un plasma quark-gluon à haute énergie, ce qui n’était qu’une hypothèse en 2009. Pour améliorer la sensibilité d’ALICE, Subatech travaille avec l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers (Irfu) du CEA, l’institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC) de Strasbourg et le Cern pour développer une nouvelle génération de capteurs utilisant la technologie MAPS**. L’objectif est de taille : pouvoir observer 100 000 collisions plomb-plomb par seconde pour la troisième prise de données (le « Run 3″) du LHC en 2020, contre 10 000 actuellement. Une telle augmentation des capacités d’ALICE permettrait de détecter de nouvelles particules éjectées avec plus de précision, et de mieux cerner leurs trajectoires, et donc leurs propriétés.

*TeV est l’abréviation de teralélectronvolt, soit 10¹² électronvolts (eV). L’électronvolt est une unité d’énergie adaptée à l’échelle du noyau. Si l’énergie d’un nucléon d’atome de plomb s’élève à 5 TeV lors de la collision, celle d’un proton nu peu atteindre 13 TeV grâce à un rapport charge sur masse plus élevé. Seul le LHC est capable de produire des collisions aussi énergétiques aujourd’hui.

** MAPS pour Monolithic Active Pixel Sensors : des capteurs inspirés d’une technologie de l’imagerie médicale pour détecter la lumière visible. Les capteurs MAPS intègrent la microélectronique et le volume de détection dans la même galette de silicium.

En savoir + un autre sujet de recherche de Subatech : la matière noire

[box type= »shadow » align= »aligncenter » class= » » width= »95% »]

Quarks, gluons, bosons… Un peu de modèle standard

Les particules fondamentales sont les plus petits constituants connus de la matière. Ce sont des entités qui ne peuvent pas être décomposées en éléments plus petits. Les électrons font ainsi partie de cette catégorie. De même que les quarks, et les gluons. Ces derniers sont les « briques » constituantes des hadrons, une catégorie de particules regroupant les neutrons et les protons, qui assemblés forment les noyaux atomiques. Les hadrons ne sont donc pas des particules fondamentales.

Les particules fondamentales ont toutes des propriétés différentes, qui les rendent plus ou moins sensibles aux interactions physiques élémentaires. Seuls les quarks sont ainsi concernés par l’interaction forte, qui maintient la cohésion des hadrons — les physiciens parlent alors de matière confinée. Cette force d’interaction forte est portée par d’autre particules fondamentales : les gluons, de la même manière que la force électromagnétique est portée par les photons.

Le modèle standard en un tableau. Crédits Dopplerlover.

[/box]