Audrey Francisco-Bosson, traqueuse de particules

Audrey Francisco-Bosson vient de remporter une bourse L’Oréal-UNESCO pour les femmes et la science. Cette récompense valorise à juste titre les travaux de thèse de cette jeune chercheuse en physique fondamentale, menés à IMT Atlantique au sein du laboratoire Subatech. En fouillant dans les entrailles de la matière grâce aux yeux du détecteur ALICE du grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, Audrey Francisco-Bosson traque les particules. Elle tente ainsi de mieux comprendre le mystérieux plasma quark-gluon.

Comment reproduire la matière telle qu’elle était à l’origine de l’univers ?

Audrey Francisco-Bosson : À notre échelle, toute la matière est composée d’atomes, dont le noyau est constitué de protons et de neutrons. À l’intérieur de ces protons et neutrons, il y a des quarks assemblés entre eux par des gluons responsables de ce que nous appelons l’« interaction forte ». Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN permet de casser les atomes pour étudier cette interaction forte. Pour cela, nous accélérons deux faisceaux d’ions ou de protons. Lorsque des noyaux lourds entrent en collision, l’énergie libérée est suffisamment grande pour libérer les quarks. Nous nous retrouvons avec un état de la matière où les quarks et les gluons ne sont plus liés, c’est le plasma quark-gluon. Cet état correspondrait à celui de l’univers quelques micro-secondes après le big bang : la température y est 100 000 fois plus élevée qu’au cœur du Soleil.

Que regardez-vous dans ce plasma ?

AFB : Le plasma lui-même a un temps de vie très court : plus d’un billion de fois plus petit qu’une nanoseconde. Nous ne pouvons pas l’observer. En revanche, nous pouvons regarder les particules qui sont produites dans ce plasma. Car en se refroidissant, les quarks et les gluons qui étaient libres dans le plasma vont s’apparier, formant de nouvelles particules. Nous mesurons leur énergie, leur impulsion, leur charge et leur masse afin de les identifier et les caractériser. Toutes ces informations nous donnent des renseignements sur le plasma. Comme il y a plein de particules, il faut un peu se spécialiser. Pour ma part, je me suis concentrée durant ma thèse sur la particule J/ψ.

Audrey Francisco-Bosson, lauréate 2018 d’une bourse L’Oréal-Unesco pour les femmes et la science. Photo : Fondation L’Oréal / Carl Diner.

Qu’est-ce que la particule J/ψ a de particulier ?

AFB : Elle est intéressante depuis longtemps car elle a été identifiée comme une bonne sonde pour mesurer la température du plasma. Elle est constituée d’une paire de quarks qui, au-delà d’une certaine température, se brise. Historiquement, les chercheurs soupçonnaient qu’en regardant si la paire était rompue ou non, il était possible d’en déduire la température du plasma quark-gluon. En pratique, il s’est avéré que c’était un peu plus compliqué que cela. Mais la particule J/ψ est toujours utilisée comme sonde du plasma. Pour ma part, je l’ai utilisée pour déduire des informations non pas sur sa température, mais sur sa viscosité.

Comment déduisez-vous la viscosité du plasma quark-gluon à partir de J/ψ ?

AFB : Il faut bien comprendre qu’il y a de très fortes variations de pression dans le milieu que nous observons. Les particules n’ont pas toutes les mêmes caractéristiques, et notamment pas toutes le même poids. Elles vont donc se répartir en fonction de la différence de pression. Comme la particule J/ψ est assez lourde, observer comment elle se déplace nous permet d’observer l’écoulement du plasma. De la même manière que sur une rivière, des objets n’iront pas à la même vitesse selon leur poids. En couplant les observations sur J/ψ à des observations sur d’autres particules, nous en déduisons les propriétés de viscosité du plasma. C’est de cette manière qu’il a été démontré que le plasma quark-gluon ne se comporte pas comme un gaz — comme nous le pensions — mais comme un fluide parfait.

Quelles sont les grandes questions que se pose encore votre communauté scientifique sur le plasma quark-gluon et auxquelles la particule J/ψ pourrait apporter une partie des réponses ?

AFB : L’une des grandes questions est de savoir à quel moment cette caractéristique de fluide est atteinte. Cela implique que nous pouvons utiliser les lois de la mécaniques des fluides, et notamment celles de l’hydrodynamique, pour le décrire. Plus généralement, toutes ces recherches permettent de tester les propriétés et des lois de la chromodynamique quantique. Cette théorie décrit l’interaction forte qui lie les quarks. En la mettant à l’épreuve, nous vérifions si le modèle de description de la matière que nous utilisons est bon.

Vous rejoindrez l’université de Yale aux États-Unis dans les semaines qui suivent. Quelle sera la nature de vos recherches là-bas ?

AFB : Je vais travailler sur les résultats du détecteur STAR, situé au cœur du collisionneur RHIC. Il est similaire au détecteur ALICE du LHC mais avec des énergies de collision différentes. Cette complémentarité permet de comparer des résultats différents pour étudier les variations entre une énergie et l’autre et en déduire de nouvelles informations sur le plasma. Pour moi, l’idée sera également d’analyser les données de collision, comme avec ALICE. Je travaillerai aussi sur le développement de nouveaux capteurs. C’est une tâche qui est importante pour moi, car j’ai fait une formation d’ingénieure en physique avant de débuter ma thèse. J’aime vraiment comprendre comment un détecteur fonctionne avant de l’utiliser. C’est pour cette raison aussi que j’ai travaillé sur un nouveau capteur pour ALICE durant ma thèse, qui sera installé en 2021 sur le détecteur.