Les physiciens ont recréé la première milliseconde après le Big Bang – et ont trouvé qu'elle était étonnamment veloutée

De violentes collisions au Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont révélé la moindre trace d’un sillage laissé par un quark traversant une matière nucléaire à des milliards de degrés – ce qui laisse entendre que la soupe primordiale de l’univers aurait pu littéralement ressembler davantage à une soupe que nous le pensions.

Les nouvelles découvertes de la collaboration Compact Muon Solenoid (CMS) du LHC montrent la première preuve claire d’une subtile « baisse » de la production de particules derrière un quark de haute énergie alors qu’il traverse le plasma quark-gluon – une gouttelette de matière primordiale qui aurait rempli l’univers quelques microsecondes après l’explosion. Big Bang.

Recréer les conditions du premier univers en laboratoire

Lorsque des noyaux atomiques lourds entrent en collision à une vitesse proche de la lumière à l’intérieur du LHC, ils fondent brièvement dans un état exotique appelé quark-gluon. plasma.

Dans cet environnement extrême, « la densité et la température sont si élevées que la structure atomique régulière n’est plus maintenue ». Yi Chenprofesseur adjoint de physique à l’Université Vanderbilt et membre de l’équipe CMS, a déclaré à Live Science par e-mail. Au lieu de cela, « tous les noyaux se chevauchent et forment ce que l’on appelle le plasma quark-gluon, où les quarks et les gluons peuvent se déplacer au-delà des limites des noyaux. Ils se comportent davantage comme un liquide ».

Cette gouttelette de plasma est extraordinairement petite : environ 10^-14 mètres de diamètre, soit 10 000 fois plus petit qu’un atome – et disparaît presque instantanément. Pourtant, au sein de cette gouttelette éphémère, se trouvent des quarks et des gluons, les porteurs fondamentaux du forte force nucléaire qui maintient les noyaux atomiques ensemble – circulent collectivement d’une manière qui ressemble plus à un liquide ultrachaud qu’à un simple gaz de particules.

Les physiciens veulent comprendre comment les particules énergétiques interagissent avec cet étrange milieu. « Dans nos études, nous voulons étudier comment différentes choses interagissent avec la petite gouttelette de liquide créée lors des collisions », a déclaré Chen. « Par exemple, comment un quark de haute énergie traverserait-il ce liquide chaud ? »

La théorie prédit que le quark laisserait derrière lui un sillage détectable dans le plasma, un peu comme le ferait un bateau fendant l’eau. « Nous aurons de l’eau poussée vers l’avant avec le bateau dans la même direction, mais nous nous attendons également à une petite baisse du niveau d’eau derrière le bateau, car l’eau est repoussée », a déclaré Chen.

En pratique, cependant, démêler le « bateau » de « l’eau » est loin d’être simple. La gouttelette de plasma est minuscule et la résolution expérimentale est limitée. À l’avant du parcours du quark, le quark et le plasma interagissent intensément, ce qui rend difficile de distinguer quels signaux proviennent de quels signaux. Mais derrière le quark, le sillage – s’il est présent – doit être une propriété du plasma lui-même.

« Nous voulons donc trouver ce petit creux à l’arrière », a déclaré Chen.

Une sonde propre avec des bosons Z

Pour isoler ce sillage, l’équipe s’est tournée vers une particule partenaire spéciale : le boson Z, l’un des porteurs de la force nucléaire faible – l’une des quatre interactions fondamentales, avec les forces électromagnétiques, fortes et gravitationnelles – responsable de certains processus de désintégration atomique et subatomique. Dans certaines collisions, un boson Z et un quark de haute énergie sont produits ensemble, reculant dans des directions opposées.

C’est ici que le boson Z devient crucial. « Les bosons Z sont responsables de la force faible, et en ce qui concerne le plasma, Z s’échappe et disparaît de l’image », a déclaré Chen. Contrairement aux quarks et aux gluons, les bosons Z interagissent peu avec le plasma. Ils quittent la zone de collision indemne, fournissant un indicateur clair de la direction et de l’énergie d’origine du quark.

Cette configuration permet aux physiciens de se concentrer sur le quark alors qu’il traverse le plasma, sans craindre que sa particule partenaire ait été déformée par le milieu. Essentiellement, le boson Z sert de marqueur calibré, facilitant la recherche de changements subtils dans la production de particules derrière le quark.

L’équipe CMS a mesuré les corrélations entre les bosons Z et les hadrons – des particules composites constituées de quarks – émergeant de la collision. En analysant le nombre de hadrons apparaissant dans la direction « arrière » par rapport au mouvement du quark, ils ont pu rechercher le sillage prévu.

Un signal minuscule mais important

Le résultat est subtil. « En moyenne, dans le sens inverse, nous constatons un changement de moins de 1% dans la quantité de plasma », a déclaré Chen. « C’est un très petit effet (et c’est en partie pourquoi il a fallu si longtemps aux gens pour le démontrer expérimentalement). »

Pourtant, cette suppression de moins de 1 % est précisément le type de signature attendue d’un quark transférant de l’énergie et de l’impulsion au plasma, laissant dans son sillage une région appauvrie. L’équipe rapporte que c’est la première fois qu’une telle baisse est clairement détectée dans des événements marqués Z.

La forme et la profondeur du creux codent des informations sur les propriétés du plasma. Revenant à son analogie, Chen a noté que si l’eau coule facilement, le creux derrière un bateau se remplit rapidement. S’il se comporte davantage comme du miel, la dépression persiste. « Donc, étudier à quoi ressemble ce creux… nous donne des informations sur le plasma lui-même, sans la complication du bateau », a-t-elle déclaré.

Retour sur le début de l’univers

Les découvertes ont également des implications cosmologiques. On pense que l’univers primitif, peu après le Big Bang, a été rempli de plasma de quarks et de gluons avant de se refroidir en protons, en neutrons et, finalement, en atomes.

« Cette époque n’est pas directement observable au moyen de télescopes », explique Chen. « L’univers était opaque à l’époque. » Les collisions d’ions lourds fournissent « un petit aperçu de la façon dont l’univers s’est comporté à cette époque », a-t-elle ajouté.

Pour l’instant, la baisse observée n’est « qu’un début », a conclu Chen. « L’implication passionnante de ce travail est qu’il ouvre une nouvelle voie pour mieux comprendre les propriétés du plasma. Avec plus de données accumulées, nous serons en mesure d’étudier cet effet plus précisément et d’en apprendre davantage sur le plasma dans un avenir proche. «

Sources des articles

Collaboration, C. (2025). Preuve d’une réponse moyenne aux sondes dures utilisant des corrélations de bosons Z avec des hadrons dans des collisions d’ions lourds. Lettres de physique B140120. https://doi.org/10.1016/j.physletb.2025.140120

Anissa Chauvin

Je m'appelle Anissa, rédactrice passionnée au cœur battant pour Reveil Citoyen Media. Mon parcours, de la plume lycéenne aux salles de rédaction, est guidé par une curiosité insatiable et le désir ardent de révéler les vérités cachées. Chaque article que je rédige est une invitation à réfléchir, à questionner et, surtout, à agir pour un monde meilleur.

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