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Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 27 septembre 2010

 

Expérience CMS au LHC : un phénomène physique inattendu observé dans les collisions proton-proton

 

Les physiciens travaillant sur l’expérience CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern, à laquelle participent l’IN2P3/CNRS et le CEA, ont constaté des corrélations fortes entre certaines particules produites à 7 TeV lors de collisions proton-proton. C’est la première fois que ce phénomène physique est observé dans de telles collisions et de nombreuses interprétations de cet effet sont possibles. Toutefois, ce résultat comporte des similitudes avec des phénomènes observés dans les collisions de noyaux auprès du collisionneur Rhic(1) du Laboratoire national de Brookhaven (États-Unis), qui ont été interprétés comme pouvant être dus à la création de matière dense et chaude dans les collisions.

 

Après bientôt six mois d’exploitation, les physiciens de la collaboration CMS viennent de rendre public un article décrivant un phénomène intriguant observé dans des collisions proton-proton. Les chercheurs ont étudié en détail certaines collisions produisant plus d’une centaine de particules (correspondant à des événements dits de "haute multiplicité"). Ce type d’événements est similaire à ce qu’on obtient par collisions de noyaux tels que le cuivre, où des effets du même type ont déjà été observés. En étudiant les corrélations angulaires entre les particules qui fusent à partir du point de collision, il est apparu que certaines de ces particules sont intimement liées entre elles, ce qui renseigne sur ce qui s’est passé au moment de leur création.

Pour l’analyse présentée dans l’article, toutes les paires possibles de particules chargées dans chaque collision ont été utilisées, et les différences de directions mesurées. Ces différences angulaires sont notées Δη et Δφ (η mesure l’angle entre deux traces dans le plan longitudinal et φ est une mesure de l’angle entre deux traces dans le plan perpendiculaire au faisceau, dit transverse). Une "fonction de corrélation" (R) a été calculée. La figure 2 montre la dépendance de R en fonction de Δη et Δφ pour des événements sur lesquels les critères de sélection sont les plus larges possibles, dits de "biais minimum" (image de gauche), et pour des collisions de haute multiplicité (image de droite). La différence la plus significative entre les deux images est l’apparition curieuse d’une crête allongée à Δφ =0 quelle que soit la valeur de Δη. On observe donc un nombre inattendu de paires dont les deux particules peuvent être très divergentes dans une direction tout en étant proches dans l’autre, reflétant un mode particulier d’association entre elles au moment de la collision.

Il s’agit de la première observation d’un tel phénomène dans des collisions proton-proton et de nombreuses interprétations de cet effet sont possibles. Cependant, la nouvelle structure observée n’est pas sans rappeler des caractéristiques similaires vues dans des expériences au Rhic qui furent interprétées comme dues à la création fugitive de matière dense et chaude (plasma de quarks et de gluons) dans certaines collisions d’ions lourds à haute énergie.

Grâce à l’augmentation de l’intensité du faisceau dans les prochains mois, le LHC fournira au moins cent fois plus de données, lesquelles permettront d’étudier cet effet plus en détail et d’en élucider le mécanisme. Des études similaires sont prévues fin 2010 dans CMS avec des collisions d’ions lourds au lieu de protons.
Ces développements seront aussi suivis avec attention par les physiciens d’Alice, autre expérience du LHC, dont le détecteur est optimisé pour étudier les collisions d’ions lourds. Comme les expériences au Rhic, Alice a pour but d’étudier l’état dense et chaud de la matière qui aurait existé quelques fractions de secondes après le Big-bang et de comprendre comment est ensuite apparue la matière nucléaire ordinaire qui constitue aujourd'hui notre Univers.
L’observation de collisions proton-proton produisant un grand nombre de particules est de bon augure pour cette nouvelle phase de l’exploitation du LHC.

Alors que les résultats annoncés lors des conférences du début de l'été concernaient des domaines connus de la physique, les expériences du LHC commencent à présent à explorer de nouveaux territoires : Atlas a récemment repoussé les limites du champ de recherche d’un éventuel quark excité et LHCb a mis en évidence des états liés formés de quarks et d’antiquarks beauté.

L'IN2P3/CNRS, via les laboratoires IPHC(2), IPNL(3) et LLR(4), ainsi que l'Irfu(5)/CEA sont fortement impliqués dans l'expérience CMS au LHC depuis les origines du projet. L'IPHC et l'IPNL ont contribué à la construction du trajectomètre utilisé pour cette analyse.

 

 

Figure 1 : exemple de représentation d’une collision proton-proton à 7 TeV dans l’expérience CMS produisant plus d’une centaine de particules chargées. © CMS

 

Figure 2 : Variation de la fonction de corrélation R avec les différences angulaires Δη et Δφ pour des collisions proton-proton dans CMS. À gauche : pour des collisions de biais minimum. À droite : pour des collisions ayant produit au moins 110 particules chargées.
© CMS

 

 

(1) "Relativistic Heavy Ion Collider"
(2) Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (CNRS/Université de Strasbourg)
(3) Institut de physique nucléaire de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1)
(4) Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/École polytechnique)
(5) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

 

Pour en savoir plus

Contact chercheur

  • Yves Sirois, Tél : 01 69 33 55 66
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