Section 01 Interactions, particules, noyaux, du laboratoire au cosmos

II. Hadrons et matière hadronique

La physique hadronique étudie la structure, les propriétés et les interactions des constituants de la matière appelés hadrons, eux-mêmes constitués de quarks et gluons. La théorie sous-jacente est la Chromo-Dynamique Quantique (QCD). Cette théorie décrit l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la nature connues à ce jour qui gouvernent l'Univers. Selon les énergies, distances, densités mises en jeu, QCD mène à une multitude de phénomènes extrêmement riches, la plupart restant mal compris à ce jour : du confinement des quarks et gluons à l'intérieur des hadrons qui forment la matière ordinaire (on les appelle alors nucléons) au plasma de quarks et gluons où ces mêmes quarks et gluons apparaissent comme une soupe de particules élémentaires (quasi) libres. Les équipes de l'IN2P3 sont impliquées dans plusieurs expériences et projets en Europe et aux États-Unis.

A. Structure des hadrons

Dans le domaine de la structure du nucléon, un important programme expérimental est mené depuis de nombreuses années auprès de l'accélérateur d'électrons JLab-6GeV (États-Unis). Ce programme se poursuivra auprès de JLab-12GeV, sur le point d'être opérationnel. D'un point de vue théorique, cette structure est entièrement caractérisée par les fonctions de distribution de partons généralisées. Ces distributions déterminent les corrélations en impulsion et position des quarks à l'intérieur du nucléon. On parle de « tomographie » du nucléon dans le sens où l'on sonde l'expansion spatiale du nucléon pour diverses tranches d'impulsion de quarks. Ces distributions sont accessibles expérimentalement à travers des expériences de diffusion Compton profondément virtuelle, c'est-à-dire la diffusion Compton au niveau des quarks, sur le nucléon et les noyaux. Les premiers résultats expérimentaux, associés à un important travail phénoménologique d'interprétation, montrent que les quarks de valence (ceux de plus grande impulsion et qui donnent les nombres quantiques au nucléon) sont localisés au cœur du nucléon alors que les quarks de la mer (de faible impulsion) s'étendent jusqu'à sa périphérie.

D'une manière complémentaire, dans le cadre du futur laboratoire international FAIR (Allemagne) qui fournira un faisceau d'antiprotons de 1.5 à 15 GeV vers 2020, une équipe française s'investit au sein de la collaboration PANDA pour étudier la structure électromagnétique du nucléon en utilisant des processus électromagnétiques dans les réactions d'annihilation proton-antiproton. Il s'agit, par exemple, de mesurer les facteurs de forme électromagnétiques du proton dans la région temps sur un large domaine cinématique.

D'un point de vue théorique, les calculs de QCD sur réseau se développent très rapidement et permettent d'ores et déjà d'accéder directement à certaines caractéristiques fondamentales de la structure du nucléon. Les théories effectives déduites de QCD à basse énergie permettent notamment de comprendre la répartition entre quarks de valence et quarks de la mer. Des mesures de la polarisation du nucléon sous l'effet de champs électriques et magnétiques effectuées à Mayence (collaboration MAMI) donnent aussi l'occasion de tester la valeur prédictive de ces théories effectives.

B. Hadrons dans le milieu nucléaire

L'expérience HADES installée au GSI (Allemagne) étudie les effets de milieu sur les propriétés des hadrons à l'aide de faisceaux d'ions lourds de plusieurs GeV sur des cibles fixes. Cela permet d'obtenir des densités de matière comprises entre une fois et trois fois la densité nucléaire normale à des températures modérées (T < 80 MeV). La caractérisation de ce milieu est effectuée grâce à la détection de la production de paires de leptons. Les physiciens français étudient plus particulièrement, et de façon systématique, les mécanismes de production de ces paires de leptons en réactions élémentaires (avec des faisceaux de protons, deutons ou pions), ce qui est essentiel pour comprendre les effets de milieu. Ce programme est en cours et devrait être mené jusqu'en 2015-2016.

Ces effets de milieu sur les propriétés du nucléon permettent d'avoir accès aux interactions auxquelles est soumis celui-ci dans un milieu dense. Elles complètent ainsi les études de structure nucléaire à densité ordinaire et à basse énergie et des études à plus haute densité proches de la transition de déconfinement des quarks et gluons. D'un point de vue théorique, elles sont importantes pour comprendre le lien étroit qui doit exister entre la structure des nucléons et leurs interactions mutuelles.

C. Matière nucléaire dense et chaude

Lorsque l'on comprime ou chauffe suffisamment la matière ordinaire, il est possible d'effectuer une transition vers un état déconfiné de quarks et gluons (quasi)-libres de se mouvoir sur une distance plus grande que la taille caractéristique d'un hadron : c'est le plasma de quarks et de gluons. Cet état serait caractéristique d'une phase de l'évolution de l'univers primordial quelques micro-secondes après le Big-Bang. Sur terre, les collisions d'ions lourds de très haute énergie permettent de produire cette matière sur un temps extrêmement bref et dans un volume infime. Un certain nombre de programmes internationaux ayant développé des appareillages sophistiqués et utilisant des puissances de stockage et de calculs informatiques phénoménales se sont lancés dans sa recherche.

Les expériences au SPS du Cern puis au RHIC de Brookhaven (expériences Star et Phenix notamment), auxquelles les équipes françaises ont grandement contribué dans les décennies passées, ont fait la preuve que cette matière déconfinée pouvait être créée en laboratoire et ont entamé la caractérisation de ses propriétés chimiques et thermodynamiques. La communauté française se consacre désormais en majorité aux expériences ALICE et CMS auprès du LHC au CERN. Ce dernier a connu ses premières collisions d'ions lourds de plomb fin 2010 puis en 2011 à des énergies de l'ordre du TeV, c'est-à-dire 10 fois plus élevées qu'à RHIC et avec des densités d'énergie 3 fois plus grandes, bien au-delà de la densité critique de formation du plasma. À ces énergies une très nette augmentation de la section efficace des processus dits « durs » (comme la production de saveurs lourdes ou de jets) se produit, enrichissant le spectre de physique accessible au LHC. L'étendue des données collectées depuis le démarrage du LHC, reflet du succès des prouesses technologiques auxquelles la communauté française a grandement contribué, a permis aux physiciens français d'ALICE et de CMS de s'impliquer avec succès dans les analyses de physique en lien avec les thématiques de leurs expertises : physiques des muons, de l'étrangeté, du charme ouvert, des jets et des photons.

Beaucoup des observations faites à RHIC concernant le milieu produit ont été confirmées de façon cohérente au LHC. L'accès à un domaine d'impulsions transverses plus élevé qu'à RHIC a permis de montrer une diminution, à ces impulsions, de la perte d'énergie des quarks à la traversée du milieu dense, en accord avec la QCD. La mesure des bosons de référence W et Z devient accessible à la physique des ions lourds tout comme celle des jets et des dijets. Ces derniers ont révélé de surprenants résultats sur le scénario de perte d'énergie désormais en cours d'investigation. Le J/Ψ, bien que supprimé dans le milieu, serait aussi régénéré par des processus de recombinaison de quarks charmés lors du refroidissement du plasma. Leur étude devra désormais être couplée à celles du charme ouvert. Les états liés de quarks-antiquarks lourds, comme les bottomonia, deviennent la meilleure preuve actuelle de l'écrantage de couleur des quarks lourds dans le milieu. Les premières collisions asymétriques (p-Pb et Pb-p) de 2013 sont déjà riches d'information et laissent présager un bel avenir aux prises de données à venir qui coupleront augmentation de luminosité et multiplication des systèmes de mesure.

La caractérisation de cet état de la matière, notamment dans le cadre du « color glass condensate », l'étude des propriétés de ces états liés dans le plasma ou encore la propagation des quarks et gluons dans la matière nucléaire est aussi au cœur des préoccupations d'une large communauté de théoriciens en France.

Tous ces programmes et projets de physique fondamentale sont accompagnés de réalisations techniques considérables : la conception, construction, mise en opération et maintenance d'appareillages de détection ou de sources, importants et originaux par plusieurs aspects tels que calorimètres électromagnétiques (JLab et ALICE), détecteurs de neutrons (JLab), source de positrons polarisés (JLab), chambres à fils (HADES), spectromètre à muons (ALICE), trajectographe interne (ALICE), détecteur de déclenchement (V0 pour ALICE).