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© RHIC/Star, RHIC/Phenix

Le RHIC (en vue aérienne), permet de recréer les débuts de l'expansion de la matière après le Big Bang. Les collisions d'ions lourds libèrent des centaines de particules dans toutes les directions. Les trajectoires correspondent à des enregistrements réalisés par les détecteurs Star et Phenix.

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Au milieu des champs de Long Island, dans l'État de New York, des centaines de spécialistes du monde entier sont réunis en ce mois de juillet. Avec une idée en tête : remonter le temps ! Un projet titanesque mené au sein d'un anneau de 3,8 kilomètres de circonférence : le Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), collisionneur du laboratoire national américain de Brookhaven, dont la puissance n'a pas d'égale à ce jour. Ici, tout est mis en œuvre pour recréer les premiers instants de l'Univers. L'intérêt ? Observer et comprendre la genèse de la matière. Impliqués dans ces recherches ambitieuses, des scientifiques rattachés à l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS y participent actuellement à deux expériences, Phenix et Star ^1, initiées en 1996.

À la base des travaux actuels : le succès en 2000 d'une étude dirigée par des physiciens français au Cern de Genève. « Nous venions d'obtenir, par collision de noyaux de plomb, un nouvel état de la matière, semblable à celui présumé à l'origine de l'Univers ! », se souvient Michel Gonin, directeur de recherche au Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR) ² et professeur à l'École polytechnique. Selon la théorie du Big Bang, quelques microsecondes après l'explosion initiale – il y a 14 milliards d'années –, la matière était formée d'un gaz de particules élémentaires. C'est cette « soupe » éphémère, trop chaude et trop dense pour que des atomes se forment, appelée plasma de quarks et de gluons (PQG), qui a été observée. « L'idée est de chauffer à très haute température la matière, afin de libérer les particules élémentaires confinées au cœur des noyaux atomiques », explique le chercheur. Et ce n'est pas chose aisée, car la formation du PQG nécessite une température de plus de 1012 kelvins (le Soleil chauffe en son centre à 108 kelvins) et n'existe pas plus de 10– 23 seconde. Pour valider cette découverte, cette fois à partir de collisions de noyaux d'or, les physiciens ont poursuivi les travaux au RHIC, avec une cinquantaine de chercheurs et ingénieurs français de l'IN2P3 et de Saclay, et une soixantaine de laboratoires étrangers. Certains ont apporté leur expertise dans la prise et l'analyse de données. D'autres, leur savoir-faire technique, comme le LLR, le Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées (Subatech) ³ et l'Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC) ⁴.

Phenix et Star ⁵ sont focalisées sur deux phénomènes caractéristiques de la formation du plasma. La première s'intéresse à son rayonnement thermique, mais aussi à ses phénomènes internes qui bloquent certaines interactions entre particules, et empêchent ainsi l'apparition de quarkonia, des paires quark/antiquark liées. La seconde étudie l'émission de toutes les particules produites, en particulier lors de la phase finale du plasma, ainsi que celle des jets produits. « Entre l'installation de capteurs très spécialisés et l'analyse des données, nous avons eu un pic d'activité de 2002 à 2004. Nous étions alors tous très présents, techniciens et ingénieurs compris », explique Gines Martinez, chercheur à Subatech. Une partie de la collaboration se fait désormais à distance. La maintenance de certains instruments et le traitement des données se passent dans l'Hexagone.

Cette participation française est déjà fructueuse : « Nous commençons à caractériser le PQG. Ce plasma, très dense, n'est pas un gaz parfait. Aussi, un aspect important du modèle du Big Bang, la théorie des interactions fortes entre les particules élémentaires, semble être confirmé », s'enthousiasme Michel Gonin, qui s'est d'ailleurs déjà tourné vers la construction d'un nouveau détecteur silicium à pixels ⁶, pour réaliser de nouvelles mesures au RHIC. Pour d'autres, comme Gines Martinez, l'étude de cet état de la matière se poursuivra en Europe avec l'expérience A Large Ion Collider Experiment (Alice) du Large Hadron Collider (LHC), le futur collisionneur du Cern. Cet outil unique, qui enregistrera de premières collisions en juillet 2007, aura une énergie encore jamais exploitée ⁷. Dans ces conditions, l'expertise développée aux États-Unis sera prépondérante pour la réussite des futures expériences sur les collisionneurs.

Aude Olivier