Au cœur du Laboratoire national de Brookhaven, un détecteur de particules colossal nommé sPHENIX a passé avec succès un test crucial, confirmant sa capacité à sonder les tout premiers instants de l'existence de notre univers. Ce géant technologique, de la taille d'un bâtiment de deux étages et pesant environ 1000 tonnes, est conçu avec un seul objectif : étudier l'état mystérieux de la matière connu sous le nom de plasma quarks-gluons (QGP), qui aurait rempli l'univers dans les premières microsecondes après le Big Bang.

Ce test réussi, décrit comme une vérification par "chandelle standard", représente une étape majeure pour l'ensemble de la collaboration scientifique, qui rassemble plus de 300 scientifiques du monde entier. Il a été confirmé que sPHENIX fonctionne selon les spécifications les plus élevées et qu'il est maintenant prêt à commencer sa mission principale – découvrir les secrets de la matière dans sa forme la plus fondamentale et la plus extrême.

La soupe primordiale : une plongée dans le plasma quarks-gluons

Pour comprendre l'importance du détecteur sPHENIX, nous devons remonter à près de 13,8 milliards d'années, à l'instant juste après le Big Bang. Dans cette fenêtre de temps infinitésimale, l'univers était incroyablement chaud et dense. Les températures atteignaient plusieurs billions de degrés Celsius, ce qui est trop chaud pour que des particules stables comme les protons et les neutrons, qui constituent aujourd'hui les noyaux des atomes, puissent se former.

À la place, l'univers était rempli d'une "soupe" chaude et dense de particules fondamentales – les quarks et les gluons – qui se déplaçaient librement. C'est cet état de la matière que nous appelons le plasma quarks-gluons. Les quarks sont les constituants de base des protons et des neutrons, tandis que les gluons sont les particules vectrices de la force nucléaire forte, la force qui "colle" les quarks entre eux. Dans les conditions du QGP, cette liaison était rompue et les particules étaient libérées.

Cependant, cet état exotique fut extrêmement bref. Tandis que l'univers s'étendait et se refroidissait, les quarks et les gluons se sont combinés presque instantanément, en environ 10^-22 secondes (un centième de sextillionième de seconde), pour former des protons et des neutrons, donnant ainsi naissance à la matière telle que nous la connaissons aujourd'hui. Les scientifiques ne peuvent jamais observer directement le QGP ; il disparaît en un instant. Au lieu de cela, ils étudient les "cendres" – les particules qui jaillissent de sa désintégration – pour reconstituer ses propriétés. L'une des découvertes les plus fascinantes est que le QGP se comporte comme un "liquide parfait", ce qui signifie qu'il s'écoule avec presque aucune friction ou viscosité, comme une entité unique, plutôt que comme un gaz chaotique de particules comme on le pensait initialement.

Une caméra 3D géante pour les premiers instants de l'univers

Pour recréer des conditions similaires à celles qui ont suivi le Big Bang, les scientifiques utilisent de puissants accélérateurs de particules. Au Laboratoire national de Brookhaven se trouve l'un des dispositifs les plus importants de ce type au monde : le Collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC). Le RHIC est un accélérateur circulaire de 3,8 kilomètres de circonférence qui accélère des ions lourds, tels que les noyaux d'atomes d'or, à des vitesses proches de celle de la lumière.

Ces faisceaux d'ions circulent en sens inverse à l'intérieur de l'accélérateur et, à certains points, leurs trajectoires se croisent. Le détecteur sPHENIX est situé à l'un de ces points d'intersection. Lorsque les ions d'or entrent en collision à des vitesses aussi énormes, une quantité colossale d'énergie est libérée, créant pendant une fraction de seconde une minuscule gouttelette de plasma quarks-gluons. Cette gouttelette se désintègre immédiatement en une cascade de milliers d'autres particules qui s'envolent dans toutes les directions.

C'est là que sPHENIX entre en scène. Il fonctionne comme une caméra 3D géante et ultra-rapide. Ses couches de détecteurs, y compris les calorimètres hadroniques externe et interne, le calorimètre électromagnétique et des systèmes de traçage avancés, sont conçues pour capturer et mesurer l'énergie, la direction et l'identité de chaque particule issue de la collision. Le détecteur est capable d'enregistrer et de traiter les données de 15 000 collisions par seconde, un chiffre incroyable. Au cœur du détecteur se trouve également un composant clé, le sous-détecteur MVTX (micro-vertex), conçu et construit par des scientifiques de l'Institut de Technologie du Massachusetts (MIT), ce qui a considérablement amélioré la précision du suivi des particules.

Examen de maturité réussi : Calibration à l'aide d'une "chandelle standard"

Avant que sPHENIX ne puisse commencer sa quête de nouvelles découvertes, il devait prouver qu'il fonctionnait parfaitement. À cette fin, les scientifiques ont effectué un test en utilisant une méthode connue en physique sous le nom de "chandelle standard". Il s'agit d'une mesure bien connue et établie dont le résultat est connu d'avance, et qui est utilisée pour calibrer et vérifier la précision d'un instrument.

Pendant la phase initiale de fonctionnement à la fin de l'année dernière, qui a duré trois semaines, le RHIC a fait entrer en collision des faisceaux d'ions d'or, et sPHENIX a collecté assidûment des données. L'équipe scientifique, dont les résultats ont été publiés dans la revue Journal of High Energy Physics, a analysé le nombre et l'énergie des particules chargées produites lors de ces collisions. Une partie essentielle du test consistait à vérifier si le détecteur pouvait distinguer différents types de collisions – des collisions directes, "frontales", à celles où les ions ne font que se "frôler".

Les résultats ont été extraordinaires et ont confirmé les prévisions théoriques. Le détecteur a mesuré avec précision que les collisions frontales produisent 10 fois plus de particules chargées, qui avaient également une énergie 10 fois plus élevée par rapport aux collisions périphériques. "Cela démontre clairement que le détecteur fonctionne comme prévu", a déclaré Hao-Ren Jheng, étudiant en physique au MIT et l'un des principaux auteurs de l'étude. Gunther Roland, professeur de physique au MIT, a décrit ce succès de manière imagée : "C'est comme si vous aviez envoyé dans l'espace un nouveau télescope sur lequel vous avez travaillé pendant dix ans, et qu'il prend sa première photo. Ce n'est peut-être pas la photo de quelque chose de complètement nouveau, mais cela prouve qu'il est maintenant prêt à commencer la vraie science."

Percer les secrets de l'univers primitif

Avec la confirmation que sPHENIX est opérationnel et extrêmement précis, la véritable aventure scientifique ne fait que commencer. Les scientifiques ont déjà entamé de nouveaux cycles de collisions de particules et la collecte de données devrait se poursuivre pendant encore plusieurs mois. Avec l'énorme quantité de données que sPHENIX collectera, l'équipe pourra étudier des processus extrêmement rares – des événements qui se produisent peut-être une fois sur un milliard de collisions.

Ce sont précisément ces événements rares qui pourraient fournir des informations cruciales sur les propriétés fondamentales du plasma quarks-gluons et de l'univers. L'objectif est de répondre à des questions telles que : Quelle est la densité exacte du QGP ? Comment les particules se déplacent-elles (diffusent-elles) à travers cette matière ultra-dense ? Quelle est l'énergie nécessaire pour lier ensemble différents types de quarks ? Les réponses à ces questions nous aideront non seulement à reconstituer les conditions qui prévalaient dans les premiers instants après le Big Bang, mais approfondiront également notre compréhension de la force nucléaire forte, l'une des quatre forces fondamentales de la nature qui régissent l'univers.

Le fonctionnement du détecteur sPHENIX représente l'aboutissement de décennies de développement de la technologie des détecteurs et s'appuie sur l'héritage de son prédécesseur, l'expérience PHENIX. La capacité de collecter des données à une vitesse et une précision sans précédent ouvre une toute nouvelle fenêtre sur le monde des particules subatomiques et des phénomènes qui ont façonné tout ce que nous voyons autour de nous aujourd'hui.