Protons contre ions : nouvelle physique à LHCb

Les possibilités de recherche que représentent les collisions protons-ions au LHC éveillent un intérêt croissant chez les théoriciens comme chez les expérimentateurs. Au cours de la dernière séquence d’exploitation de la machine, LHCb, détecteur asymétrique conçu à l’origine pour étudier l'asymétrie CP et les désintégrations très rares produisant des quarks lourds, a pour la première fois acquis des données produites par des collisions protons-ions. En utilisant ces collisions, l’expérience peut apporter une nouveau regard sur certains processus de physique spécifiques : bientôt du nouveau à LHCb ?

 

Une collision proton-ion observée par le détecteur LHCb pendant la période d'acquisition de données 2013.

LHCb est un détecteur plus petit que les détecteurs géants et polyvalents que sont CMS et ATLAS. LHCb est aussi plus petit qu’ALICE, le détecteur conçu pour étudier plus particulièrement les collisions ion-ion. Toutefois, LHCb a quelque chose de spécial : le détecteur peut étudier les processus de physique qui concernent les particules diffusées tout près du point de collision à de très petits angles.

LHCb ne prend pas de données en fonctionnement ion-ion, car chaque collision génère un nombre très élevé de particules secondaires, si bien qu’il serait très difficile pour les sous-détecteurs en amont de soutenir le flux de particules, et pour l'expérience de gérer l’énorme masse d’informations. L’exploitation proton-ion se situe entre le mode ion-ion et le mode normal proton-proton. « Pour LHCb, la configuration hybride est presque aussi adaptée que la configuration proton-proton, explique Pierluigi Campana, porte-parole de LHCb. C’est vrai aussi bien pour le détecteur que pour le système de déclenchement et les systèmes en différé, et nous pouvons procéder à l'identification de particules jusqu'à de très petits angles. »

Un exemple du potentiel de physique de LHCb avec l'utilisation de faisceaux proton-ion. La région comprise entre les lignes y=2 et y=5 est accessible avec une couverture d'identification des particules complète uniquement à LHCb.

De conception asymétrique, LHCb ne peut détecter que les particules se déplaçant dans un des deux sens par rapport au point de collision. En revanche, il dispose de détecteurs très puissants installés tout près de la ligne de faisceau. Ces détecteurs peuvent capter des informations sur des particules diffusées à très petits angles. « Grâce à l’exploitation proton-ion à haute énergie du LHC, LHCb sera en mesure de sonder les régions inexplorées de la diffusion profondément inélastique et du processus Drell-Yan, explique Pierluigi Campana. Sa couverture angulaire exceptionnelle permettra d'étudier la production de quarks s, c et b dans des régions inaccessibles à d'autres expériences. »

Certains groupes spécialisés au sein de la collaboration LHCb sont actuellement en train d’analyser ce précieux ensemble de données. Les premiers résultats devraient être disponibles cet été.

Pour en savoir plus sur la physique en configuration de faisceaux hybrides, voir les liens suivants :

par Antonella Del Rosso