Des noyaux d'oxygène recréent la matière de l'univers primitif

Deux noyaux d'oxygène, composés chacun de huit protons et huit neutrons, se percutent à une vitesse proche de celle de la lumière à l'intérieur du Collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven, aux États-Unis. Le choc disloque les noyaux et libère leurs protons et neutrons en quarks et gluons, qui les constituent. Il en résulte le plasma de quarks et de gluons (QGP), la matière qui existait durant les toutes premières microsecondes après le Big Bang, et un outil pour comprendre comment les protons, les neutrons et les atomes se sont formés.

Le plasma est trop éphémère pour être observé directement, y compris au RHIC ou au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Les physiciens étudient donc les particules qui sortent de chaque collision, enregistrées par des détecteurs comme STAR, le Solenoidal Tracker at RHIC. L'indice principal est la trempe des jets. Les gerbes de particules énergétiques perdent de l'énergie en traversant la matière chaude et dense laissée après la collision des noyaux, et cette perte est considérée comme une signature du QGP. L'étude du plasma aide aussi à répondre à d'autres questions, comme les limites de la stabilité nucléaire ou la recherche de particules exotiques telles que les particules X. « L'une des façons les plus efficaces pour les scientifiques d'étudier le QGP consiste à identifier où apparaissent ses signatures, et tout aussi important, où ces signatures disparaissent », a déclaré Li Yi, professeur de physique à l'université du Shandong, impliqué dans ces travaux.

L'or servait de référence. Les noyaux d'or, avec 78 protons et 118 neutrons, présentaient une trempe des jets, et leurs particules de plus basse énergie se déplaçaient ensemble comme un liquide parfait, sans aucune résistance. L'équipe du RHIC voulait savoir si un système beaucoup plus léger produirait la même signature. Ses collisions oxygène-oxygène, menées à 200 GeV (200 milliards d'électronvolts) au RHIC en 2021, ont montré une suppression de 20 % des particules de haute énergie due à la trempe des jets. Ce chiffre est inférieur à ceux obtenus avec l'or et le plomb, mais les chercheurs affirment qu'il prouve tout de même la formation du QGP. Des chercheurs du CERN ont également étudié les collisions oxygène-oxygène, ce qui permet aux deux équipes de comparer leurs conclusions.

Rongrong Ma, physicienne de STAR au Laboratoire national de Brookhaven, a décrit l'objectif : « Nous repoussons les limites de deux façons pour explorer les conditions minimales de création d'un QGP, à la fois en termes de taille des noyaux, en observant ces petites collisions oxygène-oxygène, mais aussi en examinant des données issues de collisions à plus basse énergie, et nous observons toujours cette signature cruciale du QGP. »

Pour l'instant, le gain profite à la physique plutôt qu'à un quelconque appareil. Les théoriciens qui étudient l'univers primitif et la stabilité nucléaire disposent d'un point de référence plus petit et plus simple que les collisions d'or, et les expérimentateurs peuvent vérifier leurs résultats par rapport à ceux du CERN. Ces collisions montrent aussi jusqu'où la signature persiste à mesure que le système rétrécit, ce qui constitue la frontière que l'équipe voulait déterminer. Aucune date n'a été annoncée pour les prochaines découvertes. Le nouveau détecteur sPHENIX, désormais intégré au dispositif du RHIC, devrait apporter bien davantage de précisions dans les mois à venir.