Une gorgée de xénon pour le LHC

Une collision entre deux ions de xénon enregistrée par le détecteur ALICE. (Image: ALICE/CERN)

Aujourd’hui, le LHC goûte à un breuvage un peu particulier. Pendant huit heures, le Grand collisionneur de hadrons accélère et fait entrer en collision des noyaux de xénon. Les grandes expériences du LHC, ATLAS, ALICE, CMS et LHCb, enregistrent donc pour la première fois des collisions de xénon.

Le xénon est un gaz noble, présent en quantités infimes dans notre atmosphère, et dont les atomes comportent 54 protons et de 70 à 80 neutrons suivant les isotopes. Les collisions de xénon dans le LHC (54 protons et 75 neutrons) s’apparentent donc à des collisions d’ions lourds, comme le LHC en réalise régulièrement. Habituellement, ce sont des noyaux de plomb, plus massifs, qui sont utilisés. « Mais nous avions une exploitation prévue avec des noyaux de xénon pour l’expérience NA61/SHINE à cible fixe auprès du SPS (Supersynchrotron à protons), explique Reyes Alemany Fernandez, responsable de l’exploitation avec les ions lourds. On en a donc profité pour réaliser une courte exploitation avec du xénon dans le LHC. »

« C’est une chance unique, à la fois d’explorer les possibilités du LHC avec un nouveau type de faisceau et d’obtenir de nouveaux résultats de physique », souligne John Jowett, physicien responsable des faisceaux d’ions lourds au LHC.

Et, qui sait, cette exploitation inédite pourrait réserver de belles surprises. « Les expériences vont réaliser le même type d’analyses avec les ions de xénon qu’avec les ions de plomb, mais les noyaux de xénon étant moins massifs, la géométrie de la collision diffère », explique Jamie Boyd, coordinateur du programme du LHC, chargé de la liaison entre les équipes du LHC et celles des expériences. Les collisions d’ions lourds permettent aux physiciens d’étudier le plasma quark-gluon, un état de la matière qui aurait existé brièvement juste après le Big Bang. Dans cette soupe primordiale extrêmement dense et chaude, les quarks et les gluons circulaient librement, sans être confinés par la force forte dans les protons et neutrons, comme c’est le cas dans notre Univers actuel.

Une partie des équipes qui travaillent sur l’exploitation avec les ions lourds, dans le Centre de contrôle du CERN, au moment du démarrage de l'exploitation du LHC avec des ions de xénon. (Image : Jules Ordan/CERN) (Image : CERN)

Passer des protons au xénon n’est cependant pas une mince affaire. Depuis le début de l’année, une équipe prépare l’exploitation du complexe d’accélérateurs avec le xénon. Les atomes du gaz sont accélérés et dépouillés de leurs 54 électrons dans quatre accélérateurs successifs, avant d’être lancés dans le LHC. « Le nombre de paquets et la fréquence de révolution varie beaucoup entre les protons et les noyaux de xénon, explique Reyes Alemany Fernandez. L’une des difficultés est le réglage et la synchronisation des systèmes de radiofréquence des accélérateurs. »

Après ces quelques heures dans le LHC, des noyaux de xénon continueront leur course dans le complexe d’accélérateurs, mais jusqu’au SPS. Durant huit semaines en effet, le SPS alimentera en ions xénon l’expérience NA61/SHINE, qui étudie également le plasma quark-gluon, mais de manière complémentaire aux analyses menées par les expériences du LHC. NA61/SHINE s’intéresse plus particulièrement au point de « déconfinement », seuil d’énergie de collision à partir duquel la création du plasma quark-gluon serait possible. NA61/SHINE effectue ainsi un balayage en énergie de collision avec des ions de masses différentes. Après le plomb, le béryllium et l’argon, c’est au tour du xénon d’entrer en piste.

 

Le tableau des noyaux stables, avec en abscisse le numéro atomique Z (nombre de protons) et en ordonnée le nombre de neutrons N. Les trois espèces déjà été exploitées dans le LHC, protons (hydrogène), noyaux de plomb et noyaux de xénon, apparaissent en rouge, avec leur nombre de masse A (N+Z).