Les quarks laissent une « trace » dans les océans primordiaux de l'univers : le CMS et le MIT apportent la preuve la plus claire que le plasma quarks-gluons se comporte comme un liquide
Dans les premières microsecondes après le Big Bang, l'univers n'était pas rempli d'atomes, d'étoiles ou même de protons et de neutrons, mais d'un mélange extrêmement chaud et dense de quarks et de gluons. Cette phase, connue sous le nom de plasma quarks-gluons (QGP), est considérée comme la forme la plus précoce de la matière : elle a existé brièvement pendant que l'univers se refroidissait, puis les quarks et les gluons se sont « verrouillés » dans des hadrons, les blocs de construction de la matière d'aujourd'hui. C'est précisément pourquoi le QGP est l'un des rares liens entre la physique des particules fondamentale et la cosmologie – les mêmes lois peuvent être testées en laboratoire puis intégrées dans l'image plus large de la manière dont la structure de l'univers s'est développée à partir de son état initial.
Les collisions d'ions de plomb comme fenêtre sur l'univers primitif
Pour comprendre cette « recette » initiale, les physiciens du CERN, dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC), font entrer en collision des ions lourds – le plus souvent des noyaux de plomb – à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Dans ces collisions, pendant une fraction de fraction de seconde, une gouttelette de QGP est créée avec des températures qui se mesurent en billions de degrés. Bien qu'elle dure extrêmement peu de temps, des traces de son comportement restent inscrites dans la distribution des particules qui s'échappent de la collision et sont enregistrées par des détecteurs tels que le CMS (Compact Muon Solenoid). Les analyses reposent sur le fait que la statistique d'un grand nombre de collisions, associée à une reconstruction précise des trajectoires et des énergies, permet d'extraire du bruit des événements un motif stable – une sorte de « photographie » de l'état de la matière le plus exotique que nous puissions produire aujourd'hui.
Un débat de longue date : diffusion de particules ou flux collectif ?
L'une des questions clés de la physique des interactions fortes était de savoir comment le QGP réagit lorsqu'une particule « dure » de haute énergie, par exemple un quark produit lors d'une collision, le traverse. Si le QGP se comporte comme un ensemble de particules lâchement liées, le passage d'un quark devrait ressembler à une série de collisions et de diffusions aléatoires, sans motif ordonné dans les particules « molles » de faible impulsion. Mais si le QGP est bien un fluide collectif, presque « parfait », avec une très faible viscosité, alors le passage du quark devrait déclencher une réponse similaire à une vague ou un sillage (wake) : l'énergie que le quark perd entraîne le milieu environnant et se transforme en un flux organisé et des perturbations de densité qui se propagent comme des ondes dans l'eau.
C'est précisément ce sillage hydrodynamique que les physiciens tentent de capturer dans les données depuis des années, mais le signal se perdait souvent dans le bruit de fond d'autres processus. Le problème clé était que les quarks sont typiquement créés par paires avec une antiparticule : quand un jet va dans une direction, l'autre va dans la direction opposée, et leurs traces dans une collision complexe peuvent se chevaucher. Pour obtenir un cas « propre » d'un seul jet et d'un seul passage clair à travers le milieu, il fallait trouver un événement dans lequel la direction du quark peut être marquée sans créer de « partenaire » qui occulterait l'image.
Pourquoi le boson Z est crucial : une « étiquette neutre » sans impact sur le milieu
Une équipe internationale au sein de la collaboration CMS, dans laquelle des physiciens du MIT jouent un rôle important, s'est concentrée sur une signature rare mais très propre : des événements dans lesquels un boson Z et un quark de haute énergie sont produits lors de la même collision. Le boson Z est une particule neutre de l'interaction faible qui traverse le QGP pratiquement sans entrave, sans laisser sa propre « vague ». Cela en fait une « étiquette » (tag) idéale qui montre où le jet de quarks de haute énergie a été créé dans l'événement, tout en ne brouillant pas elle-même l'image du milieu.
La logique est simple : le boson Z et le quark sont produits « dos à dos », dans des directions opposées. La direction du boson Z donne un vecteur précis selon lequel le système de coordonnées de l'analyse peut être défini. Tout ce qui se passe dans le QGP du côté opposé, où passent le quark et son jet, peut être attribué en grande partie précisément à l'interaction du quark avec le milieu. En pratique, cela signifie que l'on observe les distributions de charge et d'énergie des particules de faible impulsion transversale par rapport à l'angle et à la pseudorapidité vers le boson Z, et qu'on les compare avec des situations de référence où le QGP n'est pas présent.
De 13 milliards de collisions à environ 2000 événements « dorés »
Dans l'analyse des données collectées lors de collisions d'ions lourds, l'équipe CMS a fouillé environ 13 milliards d'événements et identifié approximativement 2000 cas avec un boson Z répondant à des critères stricts de haute impulsion transversale, dans une plage de 40 à 350 GeV. L'analyse s'est appuyée sur des données de collisions PbPb collectées en 2018 à une énergie de collision par paire de nucléons de 5,02 TeV, avec une luminosité intégrée d'environ 1,67 nb⁻¹, ainsi que sur des données pp comparatives de 2017 à la même énergie (environ 301 pb⁻¹). Après la sélection des événements, les chercheurs ont « traduit » chaque collision en une carte de distribution des particules à faible pT par rapport à la direction du boson Z, cherchant des asymétries qui seraient la signature de la réponse du milieu au passage du jet.
Le résultat est un motif que les physiciens décrivent comme une modification cohérente des distributions du côté opposé au boson Z : des renforcements et des appauvrissements apparaissent simultanément dans certaines zones angulaires, ce qui correspond à l'image de l'entraînement du milieu et de la création de zones de déficit (hole) et d'excès (recoil) de particules. Dans les résultats préliminaires du CMS publiés le 9 octobre 2024, il a été souligné que dans les collisions PbPb, un changement significatif des distributions azimutales et de pseudorapidité est observé par rapport à la référence pp, précisément dans la zone de faible pT autour de 1–2 GeV. Dans la version finale, évaluée par des pairs et publiée sous forme de lettre dans la revue Physics Letters B, l'accent a été mis sur l'interprétation : les motifs observés sont conformes à un « sillage » hydrodynamique qui se produit lorsqu'un jet puise de l'énergie dans le plasma quarks-gluons, et que le milieu répond ensuite collectivement.
Ce que signifie réellement une « vague » dans le plasma quarks-gluons
Dans un liquide classique, une vague se produit parce que l'équilibre est rompu : un corps en mouvement repousse le milieu environnant, créant des zones d'excès et de déficit de densité, puis la perturbation se propage et s'atténue. Dans le QGP, l'image est quantique et relativiste, mais l'analogie est utile : un quark ou un jet perd de l'énergie et de l'impulsion dans le milieu, et le QGP y répond par un flux collectif et une redistribution de l'énergie en particules « molles » de faible impulsion. C'est précisément dans ce secteur mou – qu'il est traditionnellement difficile de relier à une particule « dure » précise – que l'on cherche la preuve que le plasma ne réagit pas de manière aléatoire, mais comme un tout.
Dans le travail du CMS lui-même, il est souligné que les corrélations observées sont conformes aux attentes d'un sillage hydrodynamique : lorsqu'un jet « extrait » de l'énergie du plasma, une zone d'appauvrissement reste derrière lui, tandis qu'une partie du milieu accélère et est « repoussée » dans d'autres directions, créant un excès de particules à faible pT selon des angles caractéristiques. En pratique, cela ressemble à un motif complexe d'« éclaboussures » et de « tourbillons » dans les distributions, mais le message clé est simple : la réaction n'est pas aléatoire, mais collective et fluide. En d'autres termes, le QGP ne se comporte pas comme un nuage dilué de particules, mais comme un état dense dans lequel les perturbations se propagent à travers le milieu et laissent une empreinte reconnaissable.
Les modèles hybrides et pourquoi les données correspondent à la théorie
L'importance du résultat ne réside pas seulement dans le fait que le signal a été observé, mais aussi dans le fait qu'il peut être mis en relation directe avec les prédictions théoriques. Dans les descriptions du QGP aujourd'hui, on combine souvent deux mondes : une description quantique des jets (parton showers) qui se forment lors d'une collision dure et une description hydrodynamique du milieu qui se comporte comme un liquide. De telles approches « hybrides » permettent de ne pas traiter l'énergie perdue par le jet comme disparue, mais comme quelque chose qui finit dans le flux collectif du QGP. Dans la version arXiv du travail et dans la lettre publiée, il est souligné que les modifications observées sont compatibles avec les attentes de tels modèles, qui prédisent l'existence simultanée d'un « trou » dans la direction du jet et d'une « réponse » du milieu par le renforcement des particules molles.
Les physiciens avertissent toutefois qu'il s'agit de la première preuve dans ce canal de mesure spécifique : les corrélations du boson Z avec des hadrons mous dans des collisions d'ions lourds. La force de la méthode est que le boson Z agit comme un « témoin silencieux » de l'événement, de sorte que l'on peut reconstruire plus précisément à partir de lui la direction et l'énergie du jet qui a traversé le plasma, sans contamination supplémentaire du signal. Une telle approche réduit les ambiguïtés qui ont entaché les tentatives précédentes de couplage de deux jets opposés, où il était difficile de séparer « qui a occulté la trace de qui ».
Pourquoi c'est important pour l'image globale de l'univers primitif
Alors que le QGP est décrit depuis longtemps comme un milieu se comportant comme un liquide presque « parfait », prouver une réponse collective à une seule particule de haute énergie a un poids supplémentaire. De telles mesures donnent accès aux propriétés de transport du plasma : avec quelle efficacité il transfère l'énergie et l'impulsion, à quelle vitesse une perturbation est atténuée et comment l'énergie est distribuée dans l'espace et le temps. Ce sont des paramètres qui sous-tendent des concepts tels que la viscosité et la diffusion, et dans les conditions extrêmes du QGP, ils sont essentiels pour comprendre comment les processus « durs » (formation de jets) s'entremêlent avec le comportement collectif « mou » du milieu.
Dans un sens plus large, c'est aussi un test de l'image de l'univers primitif. Selon les synthèses du CERN sur l'histoire et le programme des ions lourds, le plasma quarks-gluons a dominé l'univers moins de dix microsecondes après le Big Bang. Pendant cette période, la matière était si chaude et dense que les quarks et les gluons ne pouvaient pas être liés en protons et neutrons. Si le QGP se comportait alors réellement comme un liquide, sa dynamique collective aurait pu influencer la manière dont l'énergie et la densité ont été redistribuées pendant que l'univers se refroidissait et passait à la phase hadronique. Les mesures d'aujourd'hui ne « reconstruisent » pas directement le cours cosmologique, mais testent directement la physique qui a dû y opérer.
Ce qui suit : une « cartographie » plus précise du sillage dans le plasma
Les auteurs soulignent que la méthode avec le boson Z ouvre la porte à des analyses plus systématiques. En augmentant la taille de l'échantillon et en analysant différentes classes de centralité des collisions, il est possible de déterminer plus précisément la géométrie et l'« épaisseur » du milieu traversé par le jet. En comparant avec des simulations, on pourra estimer la vitesse à laquelle le sillage se propage, combien de temps il persiste avant de se « niveler » dans le bruit des particules et comment il dépend de l'énergie et du type de parton initial. D'un point de vue pratique, c'est une voie vers une détermination plus précise des propriétés du QGP d'une manière robuste face aux incertitudes expérimentales et théoriques, car elle repose sur une particule (le boson Z) qui est extrêmement bien « calibrée » et peu sensible au milieu.
Pour le public en dehors du cercle restreint des experts, le message principal est clair : le laboratoire montre de plus en plus de manière convaincante que la « soupe primordiale » de l'univers était bien une soupe – un milieu qui coule et réagit comme un tout. Lorsqu'un quark traverse cette gouttelette créée lors d'une collision de plomb, il peut laisser derrière lui une trace qui se lit comme une vague sur l'eau, seulement à une échelle où les températures, les densités et les vitesses dépassent l'expérience quotidienne, et où les conclusions sont tirées de motifs statistiques précis de milliards de collisions.
Sources :- Physics Letters B – lettre en libre accès de la collaboration CMS sur les corrélations boson Z-hadrons et les preuves de l'énergie induite par la sonde et de la réponse du milieu (lien)
- arXiv – prépublication CMS-HIN-23-006 (arXiv:2507.09307) décrivant la mesure et l'interprétation du signal de sillage hydrodynamique (lien)
- CMS Public Results – résultat préliminaire HIN-23-006 (9 octobre 2024) et résumé des modifications observées dans les collisions PbPb (lien)
- CERN – aperçu « CERN70 : Tasting the primordial soup » sur le plasma quarks-gluons et l'univers primitif (lien)
- U.S. Department of Energy – « The Big Questions : Barbara Jacak on the Quark-Gluon Plasma » sur l'objectif et les méthodes de création du QGP en laboratoire (lien)
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