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Le LHC explore le quagma du Big Bang avec une énergie record

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Chaque année, durant un mois, lors des saisons de fonctionnement du LHC, les physiciens font entrer en collision des ions lourds pour sonder les mystères du plasma de quarks-gluons, le quagma. Ils viennent de battre un record en multipliant par presque deux les énergies mises en jeu. De quoi mieux comprendre le Big Bang.

Une vue du feux d'artifice de particules secondaires produites par les collisions d'ions de plomb dans le détecteur Alice du LHC au Cern le 25 novembre 2015. © Federico Ronchetti, Cern

Il n'y a pas le moindre doute que les protons et les neutrons qui composent les noyaux de la matière normale sont des assemblages de quarks et de gluons confinés par la nature des forces nucléaires fortes décrites par les équations de la chromodynamique quantique, la QCD. Cette théorie a d'ailleurs permis récemment de prédire avec encore plus de précision la masse des protons et des neutrons, une valeur déjà connue approximativement par le calcul depuis les années 1980.

Toutefois, la QCD nous dit aussi que dans un gaz de protons et de neutrons comprimé et porté à une température 100.000 fois plus élevée que celle régnant à l'intérieur du Soleil, ces nucléons vont tout de même « fondre ». Le résultat sera un liquide ultradense dans lequel les quarks et les gluons se comporteront comme s'ils étaient libres. Mais dès que la température va descendre en dessous d'environ mille milliards de degrés, ce plasma de quarks-gluons, parfois appelé quagma ou encore QGP, se condensera en une myriade d'hadrons généralement instables au sein desquels quarks et gluons seront à nouveau confinés.

L'expérience Alice survolée avec drone. © ALICE Experiment, YouTube

Toujours plus près de l'instant zéro au LHC

Les physiciens étudient depuis quelques décennies ce quagma dont ils ont démontré l'existence. Ils peuvent de cette façon remonter à une période de l'histoire de l'univers observable où celui-ci était âgé de moins d'un millionième de seconde. Cette phase de la matière n'a pas encore livré tous ses secrets et elle devrait permettre de remonter plus loin dans le passé du Cosmos.

Mais pour cela, il faut injecter des paquets de protons et des neutrons à des énergies sans cesse plus élevées. C'est ce que font actuellement les chercheurs du Cern au LHC. Ces scientifiques viennent d'annoncer avoir battu un nouveau record en faisant entrer en collision des ions de plomb à une énergie inédite.

Une des premières collisions d'ions lourds avec des faisceaux stables, enregistrée par Atlas en novembre 2015. Les trajectoires reconstruites des particules dans le cœur du détecteur sont en orange. Les barres vertes et jaunes indiquent des mesures de dépôts d'énergie. © Cern

Profitant de la modification du LHC pour son fameux « run 2 », qui permet des collisions de protons à 13 TeV avec une plus grande luminosité, les chercheurs avaient commencé à faire circuler ces faisceaux d'ions lourd en début de matinée le 17 novembre 2015. Après la vérification du bon fonctionnement de l'installation, ces faisceaux sont finalement entrés en collision le 25 novembre 2015 dans les quatre grandes expériences du LHC.

Bien que le détecteur Alice ait été spécifiquement conçu pour l'étude du quagma, ses trois cousins, Atlas, LHCb et CMS, peuvent en effet eux aussi apporter leurs contribution à l'étude de ce nouvel état de la matière.

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