Découverte d’un nouvel état de la matière

Paris, le 10 février 2000

Des signes caractéristiques de la formation d’un état de la matière où les quarks ne seraient plus confinés au sein des protons, des neutrons ou d’autres particules non élémentaires viennent d’être mis en évidence au CERN. Des résultats particulièrement marquants ont été obtenus par l’expérience NA50 comportant une forte participation de physiciens de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS, et dirigée par le physicien français Louis Kluberg.

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état très particulier des constituants élémentaires de la matière. Considéré comme l'ancêtre éphémère de la matière nucléaire, il a dû remplir l'Univers quelques microsecondes après le Big-Bang. Comme la matière ordinaire, il est formé de quarks —particules élémentaires de matière— et de gluons —particules porteuses de la force forte— mais ces constituants se trouvent ici dans des conditions de densité et de température telles qu’ils sont "déconfinés" c’est-à-dire qu’ils évoluent librement à la manière des électrons et des ions dans un plasma classique.

Cependant, la détection expérimentale de la formation du plasma de quarks et de gluons est difficile car sa durée de vie est de l’ordre de 10–24 seconde et le retour rapide à l'état de matière ordinaire efface, presque complètement, les empreintes d'une phase antérieure. En effet, les seuls phénomènes directement observables sont ceux dont la durée de production est aussi éphémère que la formation du plasma et dont le taux de production est affecté par l’existence même de ce plasma.

Depuis 1986, plusieurs groupes de physiciens se sont lancés à la recherche de cette transition de phase, en étudiant au CERN, à Genève, la matière à très haute densité d'énergie que l'on peut créer dans des collisions de noyaux lourds et de très haute énergie.

Dès 1994, le CERN réussit une première mondiale : accélérer des noyaux de plomb à 158 GeV* par nucléon, ce qui permet de disposer d’une énergie de plus de 32 TeV* dans les collisions entre noyaux de plomb. L’expérience NA50, qui fait suite aux premières études de l’expérience NA38 mettant enœuvre des collisions oxygène-uranium et soufre-uranium, a utilisé ces faisceaux de plomb pour tenter de mettre en évidence la formation de ce plasma. Ses derniers résultats suggèrent fortement qu'un nouveau processus physique vient d'être découvert.

La méthode choisie s’appuie sur une prédiction théorique de Satz et Matsui, en 1986, qui prévoit que la production d’une particule appelée "méson J/psi" diminuera considérablement en cas de formation d'un plasma de quarks et de gluons. Ce méson, dont la durée de production est très brève, ne se forme que lorsque les deux quarks de type " charme " qui le composent sont suffisamment proches. Or, la force qui les attire se trouve supprimée par effet d’écran au sein du plasma.

La mise en évidence par l’expérience NA50 d’une chute du taux de production du méson J/psi au-delà d'une certaine densité d'énergie et sa diminution régulière pour les valeurs les plus élevées sont incompatibles avec toute explication fondée sur des mécanismes connus. En revanche, l’ensemble des résultats s'interprète aisément dans le cadre de la production d’un état déconfiné de quarks et de gluons. Tout permet de penser à présent que l’empreinte du déconfinement des quarks, tel qu’il avait été prédit, a bien été trouvée.

*1 GeV = 1 giga électron-volt (10⁹eV)
1 TeV = 1 tera électron-volt (10¹²eV)

Contacts presse CNRS :
CNRS/IN2P3
Geneviève Edelheit
Tél. : 01 44 96 47 60

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