Des physiciens du CERN ont réussi à créer un Big Bang en utilisant moins de particules qu’ils ne l’auraient jamais cru possible. Surnommé le “liquide le plus petit”, ce liquide primordial incroyablement chaud et dense peut nous aider à comprendre comment la matière s’est comportée et a évolué quelques microsecondes seulement après la naissance de l’Univers. plasma quark-gluon – la “soupe” de particules que l’on pense avoir existé dans les premiers instants suivant le Big Bang
“Si nous pensons que l’état de l’Univers environ une microseconde après le Big Bang était constitué d’un plasma quark-gluon, il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas complètement sur les propriétés de ce plasma”, a déclaré l’un des chercheurs, Quan Wang, de l’université du Kansas.
Environ 10 à 12 secondes après le Big Bang, les scientifiques pensent que l’Univers était composé de plasma quark-gluon, qu’ils classent comme un “liquide presque parfait”, car sa friction est quasi nulle. Produisant des températures comprises entre 4 000 et 6 000 milliards de degrés Celsius – environ 100 000 fois plus chaudes que le centre du Soleil – cette matière est la chose la plus chaude jamais créée sur Terre.
Le plasma quark-gluon a été produit pour la première fois dans le LHC en 2012, mais les chercheurs sont maintenant parvenus à utiliser moins de particules qu’on ne le pensait pour décomposer les protons et les neutrons en leurs parties les plus petites, appelées quarks et gluons. Chaque proton et chaque neutron abandonne trois quarks chacun, ce qui libère les gluons, une forme de matière sans masse qui maintient les quarks ensemble à l’aide d’un phénomène appelé “force forte”.
Grâce à cette force, également appelée force de couleur, il est impossible, dans des circonstances normales, de séparer les protons et les neutrons si l’on essaie. En effet, la quantité d’énergie nécessaire pour le faire produirait de tout nouveaux quarks (et leurs homologues, les antiquarks), qui prendraient la place des quarks que vous venez de “libérer”. C’est ce qu’on appelle le confinement des quarks.
“Fondamentalement, vous ne pouvez pas voir un quark isolé parce que la force de couleur ne les laisse pas partir, et l’énergie nécessaire pour les séparer produit des paires quark-antiquark bien avant qu’ils ne soient suffisamment éloignés pour être observés séparément”, explique le site Web de la Georgia State University.
Mais plus vous serrez ces quarks et gluons ensemble, plus cette force s’affaiblit. Si vous écrasez vos particules ensemble à des niveaux d’énergie incroyablement élevés – comme ce qui est créé à l’intérieur du LHC – vous obtiendrez une “soupe” dense d’ingrédients individuels plutôt qu’une collection d’atomes plus grands.
“L’implication est que les quarks en confinement étroit sont complètement libres de se déplacer”, explique le professeur Georgia State. “Une partie de la nature du confinement des quarks est que plus vous essayez de les séparer, plus la force de confinement est grande.”
L’équipe de la collaboration Compact Muon Solenoid (CMS) au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a réussi à déchirer les protons et les neutrons pour former un plasma quark-gluon en écrasant des protons sur des noyaux de plomb à la vitesse de la lumière à l’intérieur du détecteur CMS.
“Ces minuscules gouttelettes de plasma quark-gluon ont d’abord constitué une surprise intrigante”, a déclaré dans un communiqué l’un des membres de l’équipe, Berndt Mueller, du Brookhaven National Laboratory aux États-Unis. “Les physiciens pensaient initialement que seuls les noyaux de gros atomes comme l’or auraient suffisamment de matière et d’énergie pour libérer les blocs de construction quark et gluon qui constituent les protons et les neutrons.”
“Avant les résultats de l’expérience CMS, on pensait que le milieu créé dans une collision proton-plomb serait trop petit pour créer un plasma quark-gluon”, ajoute Wang.
Que pouvons-nous donc apprendre de tout cela ? Le fait de pouvoir recréer les premiers instants qui ont suivi le Big Bang en utilisant moins de matériaux qu’on ne le pensait signifie que les physiciens seront en mesure d’étudier et de comprendre plus efficacement le comportement de la matière pendant cette période – souvent appelée l’époque des quark. L’étude du plasma quark-gluon permettra également aux chercheurs de comprendre comment les forces fondamentales qui régissent notre Univers, comme la gravité, sont apparues.
Les résultats ont été publiés dans Physical Review Letters.