Quatre collaborations de recherche du Large Hadron Collider du CERN ont annoncé des éléments indiquant qu’un plasma de quarks et de gluons peut se former lorsque des noyaux atomiques relativement légers entrent en collision. Les résultats d’ALICE, d’ATLAS, de CMS et de LHCb comprennent des études de collisions oxygène-oxygène et néon-néon, ainsi que des comparaisons impliquant des protons et des noyaux d’oxygène.
Le plasma de quarks et de gluons est un état de la matière extrêmement chaud et dense dans lequel les protons et les neutrons se désagrègent en quarks et en gluons, qui les lient. Les physiciens pensent qu’il remplissait l’Univers durant le premier millionième de seconde après le Big Bang. Jusqu’à récemment, les chercheurs estimaient généralement que sa création nécessitait des collisions entre des noyaux très lourds, comme le plomb.
Ces nouveaux résultats s’appuient sur des indices antérieurs de comportements similaires à ceux d’un plasma dans les collisions de protons et dans les premières collisions d’oxygène au LHC. Dans l’ensemble des dernières études, les scientifiques ont recherché plusieurs effets susceptibles de se produire lorsque des particules énergétiques traversent la matière dense et perdent de l’énergie.
ATLAS a détecté des différences d’énergie entre des paires de jets de particules produits lors de collisions d’oxygène et de néon. L’effet était plus marqué dans les collisions plus centrales, de plein fouet, qui devraient créer un volume de plasma plus important. Des résultats préliminaires d’ATLAS portant sur des particules qui reculent dans la direction opposée à des photons ont montré une relation similaire.
CMS a constaté que la production de particules chargées était réduite dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon par rapport aux collisions proton-proton. LHCb a observé une suppression plus importante des particules contenant des quarks charme dans les collisions de néon que dans celles d’oxygène, ce qui concorde avec une perte d’énergie plus élevée dans un système de collision plus grand. La comparaison par ALICE des pions neutres dans les collisions oxygène-oxygène et proton-oxygène a apporté des éléments indiquant une perte d’énergie des partons dans les collisions oxygène-oxygène.
Les collaborations ont également rapporté d’autres signes possibles. CMS a constaté différents degrés de suppression parmi les mésons upsilon — des particules composées d’un quark bottom et de son antiquark — dans les collisions d’oxygène et de néon. LHCb a rapporté des indices préliminaires d’un comportement similaire dans les données proton-oxygène et oxygène-oxygène.
Dans des résultats préliminaires sur les collisions d’oxygène, ALICE a également observé que les baryons, qui contiennent trois quarks, manifestaient une préférence directionnelle plus marquée que les mésons, qui en contiennent deux. Ce phénomène, appelé écoulement anisotrope, pourrait refléter un mouvement collectif hérité des quarks présents dans le plasma.
Dans leur ensemble, ces observations renforcent l’hypothèse que des conditions associées au plasma de quarks et de gluons peuvent apparaître lors de collisions impliquant des noyaux plus légers, même si les signes rapportés ne suffisent pas tous, à eux seuls, à établir la présence du plasma. Le CERN modernise le LHC pour en faire le LHC à haute luminosité, qui devrait fournir un volume de données de collision nettement supérieur pour permettre de nouvelles études.
Sources: ScienceDaily.