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Place aux collisions de plomb dans le LHC

Les premières collisions de noyaux de plomb lancent la nouvelle campagne avec des ions lourds au LHC

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Visualisation d'une collision entre deux noyaux de plomb vue par l'expérience ALICE.

Des gerbes de particules envahissant le détecteur ALICE à l’occasion des premières collisions entre des ions de plomb de 2018 (Image : ALICE/CERN)

La campagne de collisions d’ions plomb est lancée. Le jeudi 8 novembre à 21h19, les quatre expériences du Grand collisionneur de hadrons - ALICE, ATLAS, CMS et LHCb - ont enregistré leurs premières collisions entre des noyaux d’atomes de plomb depuis 2015. Pendant trois semaines et demi, le plus grand accélérateur du monde va faire se percuter ces noyaux formés de 208 protons et neutrons, à une énergie de 5,02 teraélectronvolts (TeV) pour chaque collision de paire de nucléons (protons et neutrons). Il s’agit de la quatrième exploitation de ce type depuis le démarrage du collisionneur. En 2013 et 2016, le LHC avait réalisé des collisions entre des ions plomb et des protons.

Visualisation d'une collision entre des ions de plomb dans le détecteur de l'expérience LHCb
Visualisation de l'une des premières collisions plomb-plomb du LHC en 2018, enregistrée par le détecteur LHCb . (Image : LHCb/CERN)

Les collisions de noyaux de plomb permettent aux scientifiques d’étudier des phénomènes spécifiques comme le plasma quark-gluon. Cet état de la matière aurait régné dans les tout premiers instants de l’Univers : la température était alors si élevée que les quarks et les gluons n’étaient pas confinés par la force forte dans les protons et neutrons, mais évoluaient librement formant le plasma quark-gluon. Les exploitations avec les noyaux de plomb ont déjà donné une vaste quantité de données sur les propriétés de ce fluide. De nombreux autres phénomènes ont été dévoilés grâce aux collisions d’ions lourds, notamment la diffusion lumière-lumière.

L’expérience ALICE étudie plus particulièrement l’interaction forte et le plasma quark-gluon. Elle a pour objectif de réaliser des mesures plus précises de divers phénomènes, comme la fusion et la regénération des quarkoniums, particules constituées d’une paire quark-antiquark lourds. Un événement Facebook Live avec l'expérience ALICE se déroulera mardi 13 novembre à 16h00 (CET) sur la page Facebook du CERN.

L'une des premières collisions entre des noyaux de plomb en 2018 enregistrée par le détecteur CMS.
L'une des premières collisions entre des noyaux de plomb du LHC en 2018 enregistréee par le détecteur CMS. (Inage: CMS/CERN)

Pour l’exploitation de 2018, les équipes des accélérateurs entendent relever plusieurs défis.  « Nous voulons pousser la luminosité au maximum pour générer le plus de données possibles et préparer les exploitations futures, notamment celles du LHC à haute luminosité », explique John Jowett, physicien responsable de l’exploitation du LHC avec des ions lourds. La luminosité est un paramètre crucial d’un collisionneur qui indique le nombre de collisions pouvant être produites en un temps donné. Lors de la dernière campagne avec des ions lourds en 2015, une luminosité plus de trois fois et demie supérieure à la valeur nominale du LHC avait été atteinte. Cette fois, les équipes des accélérateurs visent encore plus haut.

Une nouvelle configuration de l’optique a ainsi été mise en œuvre pour augmenter la compression des faisceaux quand ils se croisent dans les expériences. Dans un deuxième temps, l’intervalle entre les paquets de noyaux qui forment chaque faisceau sera réduit, ce qui permettra d’augmenter le nombre de paquets en circulation.

Les experts travaillent depuis plusieurs mois à la mise en place de cette exploitation. De nombreuses analyses et mesures ont été réalisées pour augmenter les performances des injecteurs : les noyaux de plomb sont en effet préparés par une chaîne de quatre accélérateurs avant d’être envoyés dans le LHC.

Image d'une collision entre deux noyaux de plomb dans le détecteur ATLAS, l'une des premières de 2018.
Image d'une collision entre deux noyaux de plomb dans le détecteur ATLAS, l'une des premières collision de ce type enregistrée en 2018. (Image : ATLAS/CERN)

Le bal des noyaux de plomb se poursuivra pendant trois semaines et demie. Les derniers faisceaux circuleront le 3 décembre au matin. Les accélérateurs seront ensuite mis en sommeil pendant deux années d’arrêt technique au cours desquels d’importants travaux d’amélioration seront effectués sur toutes les machines, accélérateurs et détecteurs.

Regardez le Facebook Live mardi 13 novembre à 16h00 (CET) sur la page Facebook du CERN.