Plasmas de quarks et de gluons : la soupe primordiale

Un milliardième de seconde après le Big Bang : 13,7 milliards d'années avant notre ère.

Collision de particules. © Petrovich12, Fotolia 

La matière baryonique, portée à une température supérieure à mille milliards de degrés, est à l'état d'une soupe (appelée soupe primordiale) où quarks, antiquarks et gluons s'agitent avec frénésie dans un bouillonnement incessant d'annihilation et de matérialisation.

Collision simulée par ordinateur de deux noyaux de plomb dans l’expérience Alice, avec, en bleu gris, les débris des noyaux de plomb et, en jaune, les particules produites lors de la collision. © Dunod 2011 

Après la phase d'inflation, l'univers connaît un taux d'expansion beaucoup plus modeste, assez semblable à celui qui prévaut dans les milliards d'années suivants. Le milieu se refroidit donc, mais tant que sa température dépasse les mille milliards de degrés, la matière est dans un état que les physiciens dénomment « plasma de quarks et de gluons ».

La matière baryonique

Cette matière dite baryonique (par opposition à la matière noire) est faite des particules élémentaires du modèle standard (quarks et antiquarks) soumises à la force forte, dont les gluons sont les vecteurs. En général, les quarks sont à jamais « englués » dans des particules stables (comme les protons ou les neutrons) ou instables (comme les pions). Mais la soupe primordiale est portée à une telle température que l'agitation thermique prend le pas sur le carcan de la force forte : quarks, antiquarks et gluons ne sont plus confinés et peuvent se déplacer librement.

Qualifiée de plasma par analogie avec les plasmas électriques rencontrés dans des milieux plus familiers (flammes, éclairs) où des électrons sont arrachés aux atomes, la soupe primordiale de quarks et de gluons est l'objet de l'attention des physiciens des particules. Produire des plasmas de quarks et de gluons est en effet envisageable le temps d'une collision entre deux noyaux atomiques massifs (de plomb par exemple). C'est l'objectif d'Alice, l'une des expériences du LHC, qui collecte les données sur les collisions entre des noyaux massifs accélérés à des vitesses relativistes (très proches de celle de la lumière). En étudiant les sous-produits de l'éphémère plasma de quarks et de gluons créé au centre de la collision, les physiciens comprennent mieux la formation de la matière baryonique.