Des physiciens du CERN ont signalé un phénomène inexpliqué dans leur collisionneur d’ions géant. Pour la première fois, des particules appelées “hadrons étranges” ont été observées dans de rares collisions de protons.
Ces hadrons étranges ne sont pas nouveaux – nous les trouvons dans le plasma quark-gluon, qui est l’état incroyablement chaud et dense de la matière censé exister quelques millionièmes de seconde après le Big Bang. Mais les trouver dans les collisions proton-proton est inédit, et si ce résultat peut être confirmé, il pourrait avoir de grandes conséquences pour la physique des particules.
“Nous sommes très enthousiastes à propos de cette découverte”, déclare Federico Antinori, porte-parole de la collaboration ALICE au CERN.
“Nous apprenons à nouveau beaucoup de choses sur cet état primordial de la matière. Le fait de pouvoir isoler les phénomènes de type plasma quark-gluon dans un système plus petit et plus simple, comme la collision entre deux protons, ouvre une dimension entièrement nouvelle pour l’étude des propriétés de l’état fondamental dont notre Univers est issu.”
Le plasma quark-gluon est un mélange exotique de quarks, qui sont les plus petits éléments constitutifs de la matière que les modèles de la physique actuelle ont confirmés. Les quarks constituent les protons et les neutrons, et sont maintenus ensemble par une forme de matière sans masse appelée gluons.
En raison de la force qui existe entre les quarks et les gluons, personne n’a jamais vu un quark isolé. Ce qui rend leur découverte si difficile, c’est que le plasma quark-gluon n’existe plus naturellement dans l’Univers – on pense qu’il ne s’est formé qu’à la naissance de l’Univers.
Pour l’étudier, les physiciens doivent recréer cette “soupe” exotique en facilitant les collisions à haute énergie entre des ions lourds d’or et de plomb dans l’expérience du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN et dans le collisionneur relativiste d’ions lourds basé à New York.
Ces expériences ont réussi à reproduire les conditions qui existaient environ 10 à 12 secondes après le Big Bang, en atteignant des températures comprises entre 4 et 6 billions de degrés Celsius, soit environ 100 000 fois plus chaudes que le centre du Soleil.
Vous ne serez donc pas surpris d’apprendre que cette réplique du plasma quark-gluon est la matière la plus chaude jamais produite sur Terre.
La collaboration ALICE ayant pour but d’étudier la physique de la matière en interaction forte à des densités d’énergie extrêmes – comme au début de l’Univers – les chercheurs du CERN ont décidé de vérifier si elle avait également réussi à créer du plasma quark-gluon.
Après avoir parcouru les données de diverses collisions de protons effectuées par le collisionneur d’ions massifs entre 2009 et 2013, à la recherche d’une signature clé de cette soupe primordiale, ils en ont finalement trouvé une : des hadrons étranges.
Comme le rapporte Avaneesh Pandey pour l’International Business Times, les hadrons étranges contiennent au moins un “quark étrange” – l’une des six “saveurs” connues de quarks, qui sont produites en bien plus grand nombre que les autres en présence de plasma quark-gluon
à leur grande surprise, les chercheurs ont constaté que cette “production accrue d’étrangeté” se manifestait même lors des collisions de protons”, explique M. Pandey.
Plus le nombre de particules produites lors des collisions de protons (les lignes bleues) augmente, plus le nombre d’hadrons étranges mesurés est élevé (plage des carrés rouges dans le graphique) Crédit : ALICE/CERN)
Si ces étranges hadrons indiquent réellement que du plasma quark-gluon a été produit par la collaboration ALICE, il s’agit d’une découverte importante. En effet, nous n’avons jamais vu de plasma quark-gluon résultant de collisions d’ions lourds, mais jamais de collisions de protons.
“[C]’est la toute première fois qu’un tel phénomène est observé sans ambiguïté dans les rares collisions de protons dans lesquelles de nombreuses particules sont créées”, rapporte un communiqué de presse du CERN.
“Ce résultat est susceptible de remettre en cause les modèles théoriques existants qui ne prédisent pas une augmentation des particules étranges dans ces événements”
Les chercheurs prennent soin de souligner que la production de plasma quark-gluon elle-même n’a pas encore été confirmée – les hadrons étranges ne sont qu’une signature de la matière exotique.
Pour confirmer la découverte du plasma quark-gluon dans les collisions de protons, il faudra observer un certain nombre d’autres signatures du plasma quark-gluon, comme les jets de particules dans l’expérience ALICE qui sont supprimés par la présence de cette matière dense.
L’équipe souligne également que de nombreuses découvertes faites au CERN ont été écartées par la suite en raison d’erreurs dans les données, de sorte qu’à ce stade, elle signale qu’une seule signature de ce plasma est apparue dans ses résultats.
Mais si la présence de plasma quark-gluon dans le collisionneur d’ions ALICE peut être confirmée, cela signifierait que les scientifiques disposent d’un nouveau moyen, beaucoup plus facile, de le produire.
“Si l’on produit du plasma quark-gluon dans des collisions proton-proton, on peut envisager de s’y intéresser”, a déclaré Livio Bianchi, chercheur à ALICE, à Gizmodo, “les protons sont beaucoup plus faciles à traiter [que les ions lourds]”
Cette découverte aidera également les physiciens à comprendre le comportement de la matière à la plus petite échelle (quantique) – ce qui pourrait enfin les aider à formuler une théorie unifiée de la physique moderne.
“L’étude plus précise de ces processus sera essentielle pour mieux comprendre les mécanismes microscopiques du plasma quark-gluon, ainsi que le comportement collectif des particules dans les petits systèmes”, explique le CERN.
Les recherches ont été publiées dans Nature Physics.