Premiers et derniers instants

Fin juin, le LHC, plus puissant accélérateur de particules du monde, a été mis à l’arrêt pour plusieurs années. Il ne s’agit pas cette fois d’un arrêt d’entretien mais de travaux lourds en vue d’une véritable amélioration de ses performances. Les premiers faisceaux de particules y avaient circulé en septembre 2008 et, en près de 20 ans, il a contribué à parfaire notre connaissance du monde des particules, de la matière. Ne citons que la découverte, en juillet 2012, du boson de Brout-Englert-Higgs. Il doit renaître, vraisemblablement en 2030, sous une autre forme, plus «lumineuse», permettant de collecter plus de données avec davantage de précisions. Cela ne veut pas dire que d’ici là, les équipes des différentes expériences ne publieront aucun résultat: il reste des monceaux de données à analyser. On en veut pour preuve le dernier communiqué du CERN de ce 29 juillet, relatif à de nouveaux indices de l’existence d’un état extrême de la matière à quoi se résumait l’univers entier quelques microsecondes après le Big Bang.

Remonter le plus loin possible dans le temps est une quête poursuivie à la fois en observant l’infiniment grand et l’infiniment petit: les signaux émanant du plus loin dans l’espace et le comportement de particules dans les accélérateurs comme le LHC. Selon la théorie, la matière de l’univers, quelques millionièmes de seconde après le Big Bang, devait être dans un état très particulier: une soupe essentiellement composée de quarks et de gluons presqu’indépendants les uns des autres, mais très dense et très chaude, appelée dans la suite plasma quarks-gluons. Autrement dit un état totalement «désordonné» très éphémère puisque, quelques autres millisecondes plus tard, les gluons porteurs de la force nucléaire forte, vont lier les quarks entre eux pour constituer les protons, neutrons et les autres particules, autrement dit, l’ensemble de la matière, nous-mêmes y compris. Toute théorie devant être vérifiée par l’expérience, comment y arriver dans ce cas ? Car cette soupe ne se forme que sous très haute pression et très haute température, 100 000 fois plus élevée que celle qui règne au cœur du soleil. Les scientifiques ont longtemps pensé que la seul façon d’y arriver était de faire entrer en collision des ions lourds comme des noyaux de plomb ou d’or. Collisions qui libèrent les protons et neutrons présents dans ces noyaux qui vont eux-mêmes alors entrer en collision avec des énergies folles. Résultat: une «boule de feu» constituée de ce fameux plasma quarks-gluons. Laquelle est donc créée grâce à des collisions secondaires – les débris de la collision – et non directement par les éléments lourds. Ces expériences réalisées depuis plusieurs décennies ont notamment permis de découvrir que le plasma quarks-gluons se comporte plutôt comme un fluide parfait de faible viscosité plutôt que comme un gaz.

Cependant, les scientifiques du CERN ont observé voici déjà plus d’un an, et encore en début de cette année, que ce plasma pouvait être produit dans d’autres types de collisions, pas nécessairement entre éléments lourds, par exemple lors de collisions oxygène-oxygène voire protons-protons. Ce qui est assez remarquable, c’est que tous les détecteurs (expériences) du LHC semblent avoir découvert des indices différents de la formation de ce plasma. Indices car, bien entendu, on ne «voit» pas le phénomène en direct et il faut se contenter de l’observation de phénomènes induits prévus par la théorie. L’un de ces indices, repéré par la collaboration ATLAS, est la perte d’énergie enregistrée par les quarks et les gluons qui traversent le plasma. La collaboration CMS, pour sa part a observé une diminution de la production de particules chargées. Elle a aussi observé, ainsi que la collaboration LHCb, un phénomène d’atténuation (autre type d’indice) de la production d’états brièvement liés c’est-à-dire de formation de paires de quark et d’antiquark.

La collaboration ALICE a quant à elle, et c’est une première, repéré des indices d’une autre trace de ce plasma. Dans des collisions oxygène-oxygène, certaines particules, celles constituées de 3 quarks (les baryons) étaient émises dans une direction privilégiée alors que ce n’était pas le cas des particules composées de 2 quarks (les mésons). Phénomène explicable par la présence du plasma primordial. Les chercheurs annoncent poursuivre leurs études sur la formation du plasma par des collisions d’ions légers pendant la fermeture de l’accélérateur.