Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature, la collaboration ALICE décrit une technique qui ouvre la voie à des études de haute précision auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) sur la dynamique de la force forte entre les hadrons.

Les hadrons sont des particules composites constituées de deux ou trois quarks liés par l’interaction forte, portée par les gluons. Cette interaction agit également entre les hadrons, en liant les nucléons (protons et neutrons) à l’intérieur des noyaux atomiques. À l’heure actuelle, l’un des plus grands défis en physique nucléaire est de comprendre l’interaction forte entre hadrons en partant des principes premiers, c’est-à-dire en étudiant cette interaction s’exerçant sur les éléments constitutifs des hadrons, à savoir les quarks et les gluons.

Les calculs de chromodynamique quantique (CDQ) sur réseau peuvent être utilisés pour déterminer l’interaction à partir des principes premiers. Toutefois, ces calculs fournissent uniquement des prédictions fiables pour les hadrons contenant des quarks lourds, tels que les hypérons, composés d’au moins un quark étrange. Auparavant, ces objets ont été étudiés au moyen de collisions de hadrons lors d’expériences de diffusion, mais ces dernières sont difficiles à mettre en œuvre avec des hadrons instables (c.à-d. à désintégration rapide), tels que les hypérons. Jusqu’ici, il n’avait donc pas été possible d’effectuer de comparaison significative entre la théorie et les mesures pour les interactions hadron-hadron faisant intervenir des hypérons.

C’était sans compter la nouvelle étude de la collaboration ALICE, l’une des principales expériences menées auprès du LHC. Cette étude montre comment une technique fondée sur la mesure de la différence d’impulsion entre hadrons produits lors de collisions proton-proton auprès du LHC peut être utilisée pour révéler la dynamique de l’interaction forte entre hypérons et nucléons, potentiellement pour n’importe quelle paire d’hadrons. La technique en question est appelée « femtoscopie » car elle permet d’explorer des échelles spatiales de l’ordre du femtomètre (10⁻¹⁵ mètres), soit la taille approximative d’un hadron et la portée spatiale de la force forte.

Cette méthode avait déjà permis à l’équipe ALICE d’étudier les interactions impliquant les hypérons Lambda (Λ) et Sigma (Σ), qui contiennent un quark étrange et deux quarks légers, ainsi que l’hypéron Xi (Ξ), qui est composé de deux quarks étranges et d’un quark léger. Dans la nouvelle étude, l’équipe a eu recours à la technique décrite pour étudier avec une grande précision l’interaction entre un proton et le plus rare des hypérons, l’hypéron Omega (Ω), lequel contient trois quarks étranges.

« La détermination précise de l’interaction forte pour tous les types d’hypérons était inattendue », a indiqué Laura Fabbietti, physicienne de l’équipe ALICE et professeure à l’Université technique de Munich. « Trois facteurs peuvent l’expliquer : le fait que le LHC puisse produire en grand nombre des hadrons contenant des quarks étranges, le fait que la femtoscopie permette d’accéder à la courte portée de l’interaction forte et la remarquable capacité du détecteur ALICE à identifier des particules ainsi qu’à mesurer leurs impulsions. »

« Notre nouvelle mesure permet de comparer les prédictions des calculs de CDQ sur réseau et représente une base d’évaluation solide pour les travaux théoriques ultérieurs, a déclaré Luciano Musa, porte-parole d’ALICE. Les données issues des prochaines campagnes du LHC devraient nous fournir des éléments sur n’importe quelle paire de hadrons. »

« ALICE a ouvert une nouvelle voie pour la physique nucléaire auprès du LHC, et cela concerne tous les types de quarks », a conclu Luciano Musa.

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Informations complémentaires

• Graphique : https://cds.cern.ch/record/2746022
• Photos du détecteur ALICE :

- https://cds.cern.ch/record/2653650/#4

- https://cds.cern.ch/record/1436153/#12

- https://cds.cern.ch/record/2665476?ln=en#2

- https://cds.cern.ch/record/2663202?ln=fr#1

• Vidéos du détecteur ALICE :

- Vues extérieures prises par drone : https://videos.cern.ch/record/2027842

- Vues intérieures : https://videos.cern.ch/record/1987362

• Articles complémentaires :

- À propos d’ALICE : https://home.cern/fr/science/alice

- Recréer la matière du Big Bang sur Terre : https://home.cern/news/series/lhc-physics-ten/recreating-big-bang-matter-earth