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Quarks et Noyaux

Les hadrons sont des particules sensibles à l’interaction forte dont les médiateurs sont les gluons. Ils sont constitués d’un assemblage de 3 quarks (les baryons tels que les protons et les neutrons) ou de paires quark-antiquarks (les mésons) et de gluons. Le noyau atomique qui est constitué d’un assemblage de protons et de neutrons (les nucléons) est donc une matière hadronique complexe faite de quarks, de gluons et de paires quark-antiquark (les quarks de la ″mer″ qui résultent de la matérialisation momentanée des gluons). L’étude de la matière hadronique consiste à analyser la structure des nucléons ou ses différents états en fonction des conditions thermodynamiques de densité baryonique et de température, jusqu’à des conditions extrêmes qui nous rapprochent à quelques microsecondes du début de notre Univers.

Présentation

Le cadre théorique qui décrit l’interaction forte véhiculée par les gluons est la Chromodynamique Quantique (ou QCD). Alors que le médiateur de l’Électrodynamique Quantique (QED), qui décrit l’interaction électromagnétique entre particules porteuses d’une charge électrique, n’est pas lui-même, le photon, porteur d’une charge, le formalisme de la QCD fait appel aux charges de couleurs qui sont portées à la fois par les quarks et les gluons. La force forte qui lie les quarks dits de valence est d’autant plus forte que les quarks essaient de s’éloigner les uns des autres, d’où leur confinement dans les hadrons qui sont "neutres de couleur". Mais comme les gluons peuvent, pendant des temps très courts, se matérialiser en paires quark-antiquark (la mer), la structure des hadrons devient beaucoup plus complexe : tous ces constituants sont désignés sous le terme générique de "partons."

L’étude de la structure des nucléons est une thématique spécifique. Par exemple, le spin du proton ne s’explique pas simplement en termes des quarks de valence et il faut faire intervenir les autres partons.
La matière hadronique concerne les noyaux dans les conditions normales ou à des températures et densités baryoniques très différentes : elle peut se présenter sous différents états que l’on peut représenter dans un diagramme de phase en fonction de ces deux observables. A basse température et haute densité baryonique, la matière hadroniques est supraconductrice de couleur. A haute température, les quarks sont déconfinés, c’est-à-dire libres, et la matière se présente sous la forme d’un Plasma de Quarks et de Gluons ou QGP. Si le QGP est produit avec une très faible densité baryonique, cela correspond aux conditions de l’Univers primordial. L’exploration de ce diagramme de phase de la matière hadronique est l’autre thématique spécifique de ce domaine.

Le LPC est présent dans ces deux thématiques.

La ″sonde électromagnétique″ désigne l’exploration de la structure du nucléon avec un faisceau d’électrons. Pendant une longue période, le LPC a participé à des expériences aux États-Unis auprès des accélérateurs des laboratoires nationaux SLAC de Stanford (Californie) et Jefferson Lab (Virginie), mais maintenant les efforts se déploient en Europe auprès de l’accélérateur MAMI (Mayence). Un autre projet est l’expérience PANDA qui utilise le faisceau d’antiprotons FAIR du laboratoire GSI (Darmstadt). Selon le site, diverses quantités sont mesurées allant des polarisabilités électrique et magnétique à l’énergie de MAMI, via la diffusion Compton virtuelle VCS, aux mesures de facteurs de forme à GSI dans le cadre du GDR-nucléon. Les collisions violentes entre des noyaux atomiques lourds permettent d’explorer différentes zones du diagramme de phase de la matière hadronique, en fonction de la densité d’énergie et de la température résultant des collisions multiples entre les nucléons.

Le LPC a participé à de longues séries d’expérience : l’expérience FOPI sur cible fixe, auprès de l’accélérateur SIS (Darmstadt) couvrait le domaine de plus basse énergie (jusqu’à 2 AGeV) et s’intéressait principalement au comportement des particules étranges dans la matière nucléaire. L’expérience NA60 au SPS du CERN, jusqu’à 400 AGeV, dans la continuité des expériences sur cible fixe NA38 et NA50 sur le même site, et l’expérience PHENIX sur le collisionneur RHIC (Brookhaven, USA) permettaient d’aller de plus en plus haut en énergie et d’atteindre, à RHIC, 200 AGeV dans le centre de masse, avec l’objectif de la mise en évidence du QGP. La signature privilégiée par le LPC dans la recherche du plasma consistait principalement à étudier le comportement de certains états quarkonia, dont le J/ψ, reconstruits à partir des 2 muons de désintégration, en fonction de la violence de la collision.

Depuis 2010, tout l’effort est maintenant concentré sur l’exploitation des collisions d’ions lourds auprès du LHC (CERN), après une intense et longue activité sur la construction des détecteurs. Les énergies atteintes dans le centre de masse de la collision d’ions plomb ont atteint 2,76 ATeV en 2011, et vont encore augmenter. Le LPC contribue directement au détecteur ALICE dédié à cette problématique du QGP et à l’étude de ses propriétés, privilégiant toujours la signature des quarkonia, mais cette fois-ci en allant jusqu’aux états fermés bottomonia ou impliquant la beauté ouverte. L’expérience généraliste ATLAS, bien que dédiée aux collisions de protons, apporte des informations complémentaires, en particulier via les signatures impliquant des jets.

COMPOSITION

Le pôle comprend les équipes suivantes :

Sonde Electromagnétique
Alice