CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE

Axes de recherche en chromodynamique

Le LHC du Cern accumule depuis 2008 les données sur les collisions de protons à très haute énergie dans le but principal de découvrir une physique nouvelle au-delà du modèle standard. Il n’a pas atteint ce but en plus d’une décennie de fonctionnement, mais des améliorations techniques devraient prochainement améliorer ses performances.

Comprendre l’hadronisation des gluons

Au-delà de cette recherche et dans le cadre de la chromodynamique, des données expérimentales plus précises ouvriront de prometteuses perspectives dans l’étude des jets de particules ; l’analyse fine de la structure des jets pourrait élucider les processus d’hadronisation par lesquels les quarks et les gluons abondamment produits se transforment dans les différents types de baryons et de mésons. Elles pourraient aussi éclairer une intéressante propriété – appelée saturation des gluons, récente découverte de la chromodynamique : à très haute énergie, les collisions de protons produisent des densités élevées de gluons portant chacun une faible fraction de l’énergie des protons incidents. Ce régime dense ouvre un nouveau domaine de la chromodynamique où il importe de tenir compte d’effets non linéaires comme la coalescence de plusieurs gluons, qui étaient jusqu’alors négligeables. Ces phénomènes non linéaires devraient être particulièrement importants lors des collisions d’ions lourds au LHC. Ils pourraient influencer de façon notable les processus de formation du plasma de quarks et de gluons.

Comprendre le confinement

À plus basse énergie, mais avec des intensités de faisceau permettant l’accès à des réactions rares comme la diffusion Compton virtuelle (e p → e p γ), l’accélérateur à électrons du laboratoire national Thomas Jefferson (JLab) en Virginie a permis depuis 1995, mais surtout après sa modernisation en 2014, d’atteindre une résolution record dans la « tomographie » du proton et les noyaux légers. Les données qu’il accumule pourraient s’avérer décisives dans la compréhension du confinement des quarks et des gluons dans les nucléons. Afin d’amplifier ce programme, les physiciens américains projettent la construction d’un collisionneur électron-noyau (EIC, electron ion collider) qui pourrait entrer en fonctionnement dans les années 2030 sur le site du Laboratoire national de Brookhaven, près de New York.

Un seul ou de multiples états fondamentaux de la CDQ ?

Il faut enfin s’arrêter sur l’épineux problème de l’état fondamental de la chromodynamique, ce qu’on appelle en physique quantique le « vide », l’état d’énergie minimale d’un ensemble de gluons, de quarks et d’antiquarks en interactions. La chromodynamique a-t-elle un seul état fondamental ? À la fin des années 1970, le théoricien néerlandais Gerard ‘t Hooft (né en 1946, prix Nobel 1999 pour ses travaux sur l’interaction électrofaible) démontre que la CDQ possède une infinité de vides équivalents et que du choix d’un de ces états dépend l’invariance de la théorie dans la transformation échangeant la matière et l’antimatière. Cette transformation est notée CP, produit de la conjugaison de charge C et de l’inversion P (pour parité). Ce choix d’un vide particulier est équivalent au choix d’un paramètre noté θ (thêta) inconnu. L’analyse de certains résultats expérimentaux prouve que θ est nul, avec une précision gigantesque. Ce résultat incite les théoriciens à rechercher une raison dynamique à l’origine de cette valeur ; en 1977, Roberto Peccei et Helen Quinn, de l’université Stanford (Californie), proposent de remplacer ce paramètre par un champ fondamental en interaction avec toutes les particules. Cet « axion » – un nom de lessive pour laver la QCD d’une difficulté originelle – permet de réconcilier la multitude des vides et l’invariance des interactions fortes dans la symétrie CP. La[...]

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Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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