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Interaction forte et plasma de quarks et de gluons

Une thématique principale est l'étude de l'interaction forte dans un domaine d'énergie allant du GeV au TeV. La matière nucléaire ordinaire (les noyaux atomiques dans des conditions "normales" de température et de pression) est constituée de protons et de neutrons (nucléons), lesquels sont composés de particules élémentaires appelées quarks et gluons soumises à l'interaction forte. Les particules composites constituées de quarks et de gluons (et donc sensibles à l'interaction forte), dénommées hadrons, comprennent en plus des nucléons toute une collection de particules de durée de vie brève (pions, kaons, hypérons, quarkonia,...).

qcd-couplingLa théorie fondamentale de l'interaction forte, la chromodynamique quantique (QCD pour "Quantum Chromodynamics"), est exprimée au niveau mathématique en fonction des seuls quarks et gluons.  Depuis son élaboration au début des années 1970, la QCD a été testée et vérifiée (et continue à l'être) dans des collisions impliquant des hadrons d'énergie supérieure à la masse du nucléon (d'ordre \(1 \,\rm{GeV}/c^2\)) et permettant ainsi de sonder le contenu des hadrons en quarks et gluons.  Dans le domaine d'énergie \(Q \gg 1 \,\rm{GeV}\), la constante de couplage \(\alpha_s\) de QCD devient petite (c'est la propriété de liberté asymptotique de QCD, voir Figure ci-contre), et les techniques bien établies des calculs perturbatifs en théorie des champs peuvent être utilisées. Bien que la QCD n'atteigne pas, dans ses prédictions, le degré de précision de l'electrodynamique quantique (QED), c'est en raison du succès de la QCD perturbative (PQCD) qu'il est actuellement établi que la QCD est la théorie fondamentale correcte de l'interaction forte.

Il est ainsi communément admis que toutes les propriétés de l'interaction forte doivent en principe découler de l'expression mathématique de la QCD. Cependant, certaines observations résistent toujours à une démonstration à partir des premiers principes. En particulier, la propriété de confinement des quarks et gluons -- le fait que les seules particules sensibles à l'interaction forte détectées expérimentalement soient des hadrons et non des quarks et gluons isolés -- n'est pas totalement comprise. De même, l'origine physique de la masse des hadrons reste mystérieuse, malgré le succès des calculs de QCD sur réseau pour prédire les masses hadroniques. Les questions du confinement et de la masse des hadrons font partie des problèmes impliquant une échelle d'énergie de l'ordre du GeV, ou \(\alpha_s\) est d'ordre 1, rendant la PQCD a priori inapplicable.

Tant que la dynamique du confinement des partons (quarks et gluons) dans les hadrons ne sera pas comprise, deux descriptions complémentaires des processus régis par l'interaction forte seront pertinentes:

  • Dans le domaine d'énergie \(Q \gg 1\,{\rm GeV}\), une description partonique dans le cadre de la PQCD est possible.
  • Dans le domaine \(Q \lesssim 1\,{\rm GeV}\), une description effective en termes de hadrons est légitime.


Dans ce cadre général, une thématique importante est l'étude du plasma de quarks et de gluons, qui s'insère dans le vaste programme expérimental de collisions d'ions lourds. Le but principal de ce programme est d'étudier le diagramme des phases de la matière nucléaire (et plus généralement de la matière hadronique) en parvenant à comprimer et à chauffer la matière qui constitue les ions lourds. Cette thématique a notamment connu un progrès majeur avec l'avènement des grands collisionneurs (RHIC au BNL et LHC au CERN) qui permettent d'atteindre, au cours des premiers instants de la collision, des densités d'énergie similaires à celles qui régnaient quelques instants après le Big Bang, de sorte que les quarks et les gluons qui sont d'ordinaire confinés au sein des protons et neutrons peuvent se propager quasi librement, formant ainsi un nouvel état de la matière baptisé plasma de quarks et de gluons (QGP). L'enjeu majeur est de prouver l'existence d'un tel état et de caractériser ses propriétés physiques.

Axes de recherche

Divers axes de recherche sont suivis, différenciés en fonction du domaine d'énergie considéré.

    • Physique hadronique --  A l'aide de théories effectives ou de modèles phénoménologiques, on étudie la production de hadrons ou les interactions entre hadrons impliquant des énergies caractéristiques \( Q \lesssim 1\,\rm{GeV}\) (énergies molles ou soft). Par exemple, la production de hadrons mous dans les collisions entre particules (sur cible fixe ou dans les collisionneurs), ainsi que les propriétés des hadrons dans un milieu nucléaire (noyau lourd, gaz de hadrons), sont des thèmes étudiés par notre groupe.

      • NJL

      • Soft hadronic matter

    • Phénoménologie des processus durs -- Dans le cadre de la PQCD, on cherche à confronter les calculs théoriques aux données expérimentales pour les processus durs (impliquant une échelle \( Q \gg 1\,\rm{GeV}\)). Ceci permet de tester plus avant la PQCD, notamment dans le cadre des théorèmes de factorisation. Diverses thématiques sont abordées:

D'autre part, notons des implications dans d'autres axes de recherche: