Proton-ion collisions: behind the scenes of an exotic interaction
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Protons to the right, ions to the left: the basic principle of proton-ion collisions at the LHC might seem straightforward. However, this is an almost unprecedented mode of collider operation, certainly unique at the energy provided by the LHC. In addition to being a remarkable technical achievement, this interaction between a proton and an ion can potentially contribute a lot to the understanding of the properties of matter in its primordial state.
Prior to last week, the LHC had only collided protons with protons and lead ions with lead ions. These were indeed the two operational schemes the LHC was designed for. However, since science can often evolve in directions that were not necessarily expected at the beginning of a project, over the years the scientific community has become more and more interested in the hybrid type of interaction – that between protons and ions. Last week’s collisions were only a test for the teams involved in the operation of the LHC, in preparation for the four week run in 2013. But why are these collisions so interesting to physicists?
“The relevance of studying this type of interaction is twofold,” replies Urs Wiedemann from CERN’s Theory Unit. “In addition to being a benchmark for ion-ion collisions, proton-ion collisions could provide valuable insights into a so-far unexplored region of QCD, the model that describes the behaviour of, among other things, nuclei, protons and quarks, in which novel phenomena are expected to occur.”
From observations at the LHC and in other colliders we already know that when two ion beams are collided, a new state of matter is formed: the quark-gluon plasma (QGP). This is the hot and dense matter that existed in the initial moments of the Universe. At the LHC, the properties of this state can be probed by studying how high-energy particles produced in the collision are stopped inside this matter. “To better understand what this quenching of high-energy particles can tell us about the QGP properties, we want to study how the same processes are attenuated when they occur in the cold nuclear matter present in proton-ion collisions,” explains Urs Wiedemann. “The quenching of high-energy particles is only one of several measurements where cold nuclear matter effects can provide the benchmark information needed to improve our understanding of heavy ion collisions.”
For the first time last week, a beam of high-energy protons was collided with a beam of lead ions in the LHC. The collision energy was more than ten times higher than that of previous experiments. The hope of the scientific community is that these collisions will also provide insight into a phenomenon known as “parton saturation” in QCD. “From the theory we know that, when we look inside a particle composed of quarks and gluons, such as the proton, the number of its basic constituents varies depending on the magnifying lens with which we observe it, that is, the physical scale given by the momentum transfer,” says Urs Wiedemann. “And if one keeps the magnification scale constant and increases the energy of the particle, theory tells us that the number of constituents (partons) seen at this scale increases. But at a still-unknown high energy, there are fundamental reasons to expect that this growth of the number of constituents with energy must be saturated.”
“This saturation happens,” he continues, “when the density of partons becomes so large that any further growth in density is compensated by the probability that these partons meet and recombine. This saturation phenomenon is expected to set in earlier in lead nuclei than in protons, simply because they contain more partons. In the absence of an electron-ion collider, proton-nucleus collisions are our best choice for making progress on the question of at what scale this parton saturation phenomenon arises in QCD. And by increasing the centre-of-mass energy of proton-nucleus collisions by more than a factor 10 over previous experiments, we open up a wide, previously unexplored energy range relevant for addressing this question.”
Thanks to the proton-lead collisions at very high energy, the LHC experiments could be the first to observe this phenomenon. A first physics run with regular proton-lead collisions will start in January 2013.
For more technical details about the production of proton-ion collisions, read this week's LHC Report.
Other (French)
Des protons à droite, des ions à gauche : le principe de base des collisions protons-ions dans le LHC peut paraître simple. Il s’agit pourtant d’un mode d’exploitation d’un collisionneur presque sans précédent, et certainement unique à l’énergie fournie par le LHC. En plus de constituer une prouesse technique remarquable, cette interaction entre des protons et des ions pourrait faire progresser notablement notre compréhension des propriétés de la matière dans son état primordial.
Jusqu’à la semaine dernière, le LHC avait fait entrer en collision uniquement des protons avec des protons, et des ions plomb avec des ions plomb. Ce sont en effet les deux modèles d'exploitation pour lesquels le LHC a été conçu. Toutefois, en sciences, les choses peuvent évoluer dans des directions non nécessairement prévues en début de projet. Au fil des années, la communauté scientifique s'est intéressée de plus en plus à une interaction de type hybride : celle entre des protons et des ions. Pour les équipes participant au fonctionnement du LHC, les collisions de la semaine dernière n’étaient qu’un test en vue de l’exploitation de 4 semaines prévue en 2013. Mais pourquoi ces collisions sont-elles si intéressantes pour les physiciens ?
« L’intérêt d’étudier ce type d'interaction est double, explique Urs Wiedemann, de l’unité Théorie du CERN. Non seulement elles pourront servir d’élément de comparaison pour les collisions ions-ions, mais elles pourraient fournir des indications précieuses sur une partie encore inexplorée de la chromodynamique quantique (QCD), le modèle qui décrit entre autres le comportement des noyaux, des protons et des quarks ; un domaine dans lequel de nouveaux phénomènes sont attendus. »
Grâce aux observations faites au LHC et dans d’autres collisionneurs, nous savons déjà que lorsque deux faisceaux d’ions entrent en collision, un nouvel état de la matière se forme : le plasma de quarks et de gluons, la matière chaude et dense qui a existé dans les premiers instants de l’Univers. Le LHC permet de sonder les propriétés de cet état en observant comment les particules de haute énergie produites lors de la collision sont stoppées par cette matière. « Afin de mieux comprendre ce que la suppression de particules de haute énergie peut nous apprendre sur les propriétés du plasma quarks-gluons, nous voulons étudier la manière dont ces mêmes processus sont atténués quand ils ont lieu dans la matière nucléaire froide qui se forme lors des collisions protons-ions, continue Urs Wiedemann. La suppression des particules de haute énergie n'est qu'une des mesures pour lesquelles les effets de la matière nucléaire froide peuvent fournir les éléments de comparaison dont nous avons besoin pour améliorer notre compréhension des collisions d’ions lourds. »
La semaine dernière a eu lieu la première collision entre un faisceau de protons de haute énergie et un faisceau d’ions plomb dans le LHC. L’énergie de collision était plus de dix fois supérieure à celle des expériences précédentes. La communauté scientifique a l'espoir que ces collisions apporteront aussi des indices sur un phénomène connu sous le nom de « saturation partonique » en chromodynamique quantique. « La théorie nous apprend que, quand nous examinons l'intérieur d'une particule composée de quarks et de gluons, par exemple un proton, le nombre de ses composants fondamentaux varie selon le verre grossissant à travers lequel nous l’observons, c’est-à-dire selon l’échelle physique déterminée par le transfert d’impulsion, explique Urs Wiedemann. Et si le grossissement demeure constant et que l’énergie de la particule augmente, la théorie nous dit que le nombre de constituants (les partons) observés à cette échelle augmente. Il y a cependant des raisons fondamentales de penser que, à une haute valeur de l’énergie encore inconnue, cette augmentation du nombre de constituants énergétiques doit aboutir à une saturation ; cette saturation a lieu quand la densité de partons devient tellement forte que toute augmentation supplémentaire de cette densité est compensée par la probabilité que les partons se rencontrent et se recombinent. »
« Ce phénomène de saturation devrait se produire plus tôt dans le cas des noyaux de plomb que dans celui des protons, simplement parce qu’ils contiennent plus de partons, continue Urs Wiedemann. En l’absence d’un collisionneur électrons-ions, les collisions entre protons et noyaux sont pour nous le meilleur moyen de progresser sur la question de l’échelle à laquelle ce phénomène de saturation de partons a lieu en QCD. Et en augmentant l'énergie du centre de masse dans les collisions protons-noyaux d’un facteur supérieur à 10 par rapport aux expériences précédentes, nous abordons une large gamme d’énergies, jusqu’ici inexplorée, nous permettant d’étudier cette question. »
Grâce aux collisions protons-plomb de très haute énergie, les expériences du LHC pourraient être les premières à observer ce phénomène de saturation. Une première exploitation pour la physique des collisions protons-plomb, commencera en janvier 2013.
Des détails techniques sur la production de ces collisions protons-ions sont disponibles dans Les dernières nouvelles du LHC.
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- 1478741
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- BUL-NA-2012-299
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