Physique et Chimie
Au cœur des pinèdes de Long Island, le silence s’installe dans les anneaux souterrains du Brookhaven National Laboratory. Après un quart de siècle de collisions à haute énergie, le Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) a officiellement cessé ses activités le 6 février dernier. Ce n’est pourtant pas une fin, mais une mue : les infrastructures de l’unique collisionneur de particules encore en activité aux États-Unis serviront de fondation à une machine de nouvelle génération, l’Electron-Ion Collider (EIC), destinée à percer les derniers secrets de la matière visible.
- Le RHIC ferme ses portes après 25 ans de découvertes majeures sur le plasma quarks-gluons, l’état de la matière juste après le Big Bang.
- L’Electron-Ion Collider (EIC) lui succédera vers le milieu des années 2030, réutilisant une grande partie des tunnels et aimants existants.
- La future installation visera à cartographier en 3D l’intérieur du proton et à résoudre l’énigme de son spin.
L’héritage du RHIC : 25 ans d’exploration de la matière primordiale
Depuis sa mise en service au début des années 2000, le Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) a transformé notre compréhension de l’Univers primordial. En fracassant des noyaux d’or à des vitesses relativistes, les physiciens ont réussi à recréer, pendant d’infimes fractions de seconde, les conditions qui régnaient quelques microsecondes après le Big Bang. Ces collisions ont révélé l’existence du plasma quarks-gluons, une « soupe » de particules élémentaires dont sont issus les protons et les neutrons qui composent aujourd’hui les étoiles et les galaxies.
L’une des découvertes les plus marquantes du RHIC fut la nature de ce plasma. Contrairement aux prévisions théoriques qui suggéraient un gaz de particules libres, les expériences ont démontré que le plasma quarks-gluons se comporte comme un liquide quasi parfait. Selon les données recueillies par les détecteurs STAR et PHENIX, cette substance s’écoule avec une viscosité presque nulle, défiant les modèles classiques de la dynamique des fluides. Plus surprenant encore, les chercheurs ont établi en 2017 que ce fluide ultra-chaud s’est avéré être le liquide le plus tourbillonnant jamais observé dans l’Univers.
Wolfram Fischer, physicien des accélérateurs à Brookhaven, souligne que le parcours du RHIC a été « spectaculaire, au-delà de tout ce que l’on pouvait imaginer ». Outre l’étude du plasma, le collisionneur a permis de sonder l’intimité du proton, révélant un monde intérieur bien plus tumultueux que les simples modèles des manuels scolaires ne le laissaient supposer.
La transition vers l’EIC : une métamorphose technologique
L’arrêt du RHIC marque le début d’un chantier colossal pour le Brookhaven National Laboratory. Plutôt que de construire une nouvelle installation de zéro, les ingénieurs vont transformer le site pour accueillir l’Electron-Ion Collider (EIC). Cette transition est une véritable métamorphose : l’un des deux anneaux supraconducteurs du RHIC sera conservé pour transporter les ions, tandis que l’autre sera remplacé par un anneau d’électrons haute performance.
Le passage du RHIC à l’EIC change radicalement la méthode de sondage. Là où le RHIC faisait entrer en collision des ions lourds (comme l’or) ou des protons entre eux, l’EIC utilisera des électrons pour bombarder des protons ou des noyaux atomiques. « C’est un peu comme passer d’un microscope optique à un microscope électronique », explique Elke-Caroline Aschenauer, physicienne à Brookhaven. L’électron, étant une particule ponctuelle sans structure interne connue, constitue une sonde d’une précision chirurgicale pour explorer l’intérieur des nucléons.
Le projet EIC représente un investissement de près de 3 milliards de dollars, soutenu par le Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) et une collaboration internationale incluant le Jefferson Lab.
Le détecteur sPHENIX, mis en service en 2023, a servi de banc d’essai technologique pour cette future installation. Il a notamment permis de valider des techniques de collecte de données en continu (« streaming ») et l’utilisation de l’intelligence artificielle pour trier la masse phénoménale d’informations générée par chaque collision. Ces innovations seront cruciales pour l’EIC, qui devra gérer des flux de données bien supérieurs à ceux du RHIC.
Objectif 2030 : cartographier l’intérieur du proton et ses mystères
L’enjeu scientifique majeur de l’EIC est de résoudre la « crise du spin ». Depuis 1987, les physiciens savent que les quarks ne contribuent qu’à environ 30 % du spin du proton, cette propriété quantique fondamentale qui lui confère son moment magnétique. Le RHIC a permis d’établir que les gluons (les particules médiatrices de la force nucléaire forte) contribuent pour environ 20 à 30 % supplémentaires. Il reste donc près de la moitié de l’énigme à résoudre.
L’EIC permettra d’étudier le mouvement orbital des quarks et des gluons à l’intérieur du proton pour voir s’ils génèrent le spin manquant. Mais un autre phénomène fascine les théoriciens : le condensat de verre de couleur. À très haute énergie, la densité de gluons à l’intérieur d’un proton deviendrait si élevée qu’ils formeraient une sorte de mur dense et saturé. Ce condensat, bien que composé de particules quantiques, se comporterait selon des lois proches de la physique classique.
« L’EIC est, en ce sens, la machine ultime », affirme Raju Venugopalan, physicien théoricien. En observant ce condensat, les chercheurs espèrent comprendre comment la matière passe du régime quantique fluctuant au régime classique macroscopique, et comment les quarks et les gluons sont confinés de manière permanente à l’intérieur des protons, une question qui reste l’un des plus grands défis de la physique nucléaire.
Alors que la construction de l’EIC se prépare, la communauté scientifique internationale garde les yeux rivés sur Brookhaven. Si le calendrier est respecté, les premières collisions d’électrons et d’ions débuteront au milieu de la prochaine décennie. Pour les physiciens, ce n’est pas seulement le remplacement d’un outil par un autre, mais le passage d’une ère de découverte exploratoire à une ère de cartographie de précision de la réalité subatomique.
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