NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) Faisceaux d'ions lourds

Les faisceaux d'ions ultrarelativistes

Accélérer de plus en plus les particules élémentaires jusqu'à leur conférer des énergies gigantesques a été l'un des moteurs de la compréhension des interactions fondamentales. Jusque dans les années 1980, cette fièvre des hautes énergies n'avait pas atteint le domaine des faisceaux d'ions et les physiciens nucléaires n'étudiaient guère que les réactions dans lesquelles les énergies des faisceaux étaient au plus de l'ordre du GeV. Lorsqu'on a compris que la matière nucléaire était en fait dominée par les interactions entre quarks et gluons, champs élémentaires de la chromodynamique quantique, il est apparu évident que l'étude des noyaux ne serait pas complète tant qu'on la limiterait à des échanges d'énergie de l'ordre de la dizaine de MeV. En effet, une réaction avec un proton d'énergie de l'ordre du GeV ne permet pas d'échanger plus que quelques dizaines de MeV avec les constituants fondamentaux de la matière. Par ailleurs, la chromodynamique quantique prévoit l'existence de deux transitions de phase lorsque la température ou la densité de la matière nucléaire atteint des valeurs inaccessibles aux expériences effectuées avec les faisceaux d'ions lourds classiques. L'équation d'état de la matière nucléaire devient ainsi un enjeu primordial de la compréhension des interactions fondamentales.

La première transition de phase prédite signale le déconfinement des quarks et des gluons ; alors que, dans les conditions normales, les quarks et les gluons n'apparaissent pas comme des entités isolées, mais seulement comme des constituants liés à l'intérieur des hadrons (nucléons, mésons...), leur état privilégié à haute température ou pression serait débarrassé de cette contrainte et ils pourraient, comme les électrons, parcourir de longues distances sans se regrouper en hadrons. Ainsi, une étoile à neutrons dont le cœur est assez dense deviendrait une étoile à quarks, les neutrons étant dissous dans une « soupe » plus ou moins visqueuse de quarks et de gluons. Par référence à l'état de plasma électromagnétique où les atomes sont complètement ionisés et dans lequel les électrons évoluent indépendamment des ions, on appelle cet état nucléaire un « plasma de quarks et de gluons ». La seconde transition de phase signale la restauration d'une symétrie chirale (la chiralité est ce qui distingue un état de son symétrique dans un miroir) qui a des conséquences importantes sur la masse des particules composites. Les températures critiques de ces deux transitions de phase sont prévues de l'ordre de mille milliards de Kelvin (on préfère mesurer des températures aussi extrêmes par leur équivalent en énergie de l'ordre de la centaine de MeV). Outre le cœur d'objets astrophysiques ultradenses, ces conditions devraient avoir régné dans l'Univers à une époque très proche de son explosion primordiale (le « big bang »). D'autres phases pourraient encore exister et leur recherche est le sujet de nombreuses études théoriques actuelles.

Les collisions d'ions lourds à très haute énergie, souvent appelées faisceaux ultrarelativistes par référence à la vitesse des projectiles qui atteint des valeurs proches de la célérité de la lumière, ont donc pour objet de reproduire pendant un bref instant ces conditions extrêmes. Le rendement de ces collisions est cependant très faible pour deux raisons principales. La première, déjà évoquée plus haut à l'occasion des collisions moins violentes, est la quasi-transparence des noyaux aux particules rapides ; l'énergie déposée par un projectile rapide sur une cible nucléaire n'est qu'une faible fraction de son énergie cinétique. Il faut donc dépenser une énergie gigantesque de plusieurs milliers de GeV pour chauffer de quelques centaines de MeV un noyau cible. Le second handicap est l'extrême rapidité du processus de refroidissement de l'état atteint. Les intenses forces de pression amènent une expansion rapide de la zone où la transition de phase a pu avoir lieu, et donc un refroidissement quasi instantané de la « bulle » de plasma éventuellement fabriquée. On n'est même pas assuré d'avoir le droit de parler d'une température pour ce fugitif état où l'équilibre thermodynamique n'a peut-être pas le temps de s'établir. Malgré toutes ces difficultés, un ambitieux programme expérimental s'est fortement développé aux États-Unis et en Europe au début des années 2000, après des expériences pionnières à la fin du xx^e siècle.

En 1986, les premiers faisceaux d'oxygène puis de soufre étaient injectés dans le grand synchrotron à protons du Cern de Genève, qui leur communiquait des énergies de quelques TeV (téraélectronvolts, soit mille milliards d'électronvolts). Une innovation technique déterminante, la mise au point à Caen et à Grenoble d'une source d'atomes de plomb presque complètement ionisés, permit d'accroître cette énergie jusqu'à plus de 30 TeV. En effet, l'accélération des particules par un champ magnétique est à peu près proportionnelle à sa charge et les mêmes aimants amènent donc des noyaux lourds jusqu'à des énergies bien plus élevées que des protons circulant sur la même trajectoire. Comme pour la physique des particules, le passage de la technique de l'accélérateur à celle du collisionneur a permis un gain d'énergie efficace considérable. Le premier collisionneur de noyaux lourds, le R.H.I.C. (relativistic heavy ion collider) du laboratoire de Brookhaven dans l'île de Long Island près de New York, a provoqué des collisions de deux faisceaux de noyaux d'or accélérés chacun jusqu'à 20 TeV, dans des directions opposées. Mis en service en l'an 2000, il a permis d'obtenir une riche moisson de résultats dont l'interprétation reste difficile. L'injection de noyaux de plomb dans le nouveau grand collisionneur européen (le L.H.C. du Cern) devrait permettre dès 2009 d'observer des collisions encore plus violentes, puisque l'énergie de chaque faisceau devrait dépasser les 500 TeV. La maîtrise de ces faisceaux d'ions lourds ultrarelativistes est une prouesse technique à mettre au crédit des physiciens et ingénieurs des grands centres de recherches internationaux.

Les faisceaux d'ions lourds classiques ont connu quelques décennies de progrès techniques considérables accompagnés d'un ensemble de résultats non négligeable sans être tout à fait à la mesure des espoirs que certains physiciens avaient mis en eux. La technologie mise en œuvre a notablement évolué à la fin du xx^e siècle. Les résultats obtenus avec les nouveaux faisceaux d'ions lourds exotiques ou de très haute énergie, marqueront sans doute de façon majeure le développement de la physique nucléaire au xxi^e siècle