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Paricle Flow in Heavy-Ion Collisions with CMS

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Des quarks bottom au LHC

En collisionnant des ions lourds avec des quarks libres, des physiciens espèrent recréer les premiers moments de notre univers juste après le Big Bang. À la suite de ces collisions d'ions lourds, des jets issus de quarks bottom ont été identifiés pour la première fois.

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Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN passe de la collision de protons à la collision de noyaux d'atomes de plomb une fois par an avec pour objectif de reproduire la matière telle qu'elle était à la naissance de l'univers. À ce moment-là, les quarks n'étaient pas liés par des gluons en protons et neutrons. À la place, ces particules élémentaires se déplaçaient librement dans ce que les physiciens appellent le plasma quark-gluon. Financé par l'UE, le projet PF4CMSHI («Particle flow in heavy-ion collisions with CMS») était consacré à l'étude de ce type de collisions d'ions lourds à l'aide de l'expérience de solénoïde compact à muons (CMS pour «Compact Muon Solenoid» en anglais). Cette expérience générique mise en place au LHC permet de détecter des jets de quarks en provenance du point de collision. Dans le cadre du projet, des jets issus de quarks bottom ont pu être observés pour la première fois. Les chercheurs du projet PF4CMSHI ont réussi à distinguer ces jets en reconstruisant de manière précise les trajectoires des hadrons. Ils ont adapté les algorithmes de suivi du CMS pour les utiliser pour les collisions d'ions lourds et ils ont extrapolés toutes les trajectoires des hadrons en retour vers le point de collision. Les hadrons dans les jets initiés avec la production de quarks bottom avaient une origine plus lointaine, là où le quark bottom s'était décomposé. Les mesures étaient suffisamment précises pour démontrer également que les jets des quarks bottom se dégradent en résultat des interactions avec le plasma dense chaud autour du point de collision. Les scientifiques du projet ont mis en lumière la dépendance de ce phénomène (appelé jet quenching, ou étouffement de jets) par rapport au type de quark qui se décompose, ce qui était prédit par les modèles théoriques. Cette découverte représente une avancée significative dans l'inconnu. Mais le plein potentiel de l'expérience CMS pour analyser le plasma quark-gluon via des collisions d'ions lourds reste à découvrir. Le projet PF4CMSHI a renforcé la présence de l'Europe dans le groupe ions lourds du CMS. Ce groupe, relativement petit, est constitué d'environ 100 physiciens, pour la plupart des États-Unis, et il ouvre la voie à de nouvelles directions de recherche au LHC.

Mots‑clés

Quarks bottom, collisions d'ions lourds, flux de particules, solénoïde compact à muons, étouffement de jets

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