Un an après les premières collisions d’oxygène au Grand collisionneur de hadrons (LHC), les principales collaborations LHC – ALICE, ATLAS, CMS et LHCb – rapportent avoir observé dans les produits de ces collisions des indices d’un état de la matière connu sous le nom de plasma de quarks et de gluons.

Le plasma de quarks et de gluons est un état de la matière qui se forme sous une pression intense à des températures 100 000 fois plus élevées que celles régnant au cœur du Soleil. Dans ces conditions extrêmes, les particules composites se défont, laissant en liberté les quarks et les gluons qui, normalement, font tenir l’ensemble. D’après la théorie, tel était l’état de la matière au cours des premiers millionièmes de seconde après le Big Bang. Près de 14 milliards d’années plus tard, les scientifiques peuvent recréer et étudier le plasma de quarks et de gluons grâce à des collisions de noyaux de haute énergie au LHC.

On pensait jusqu’ici que l’unique moyen de créer les conditions nécessaires à la formation du plasma de quarks et de gluons était de faire entrer en collision des ions lourds, tels que le plomb, 200 fois plus lourd que les protons utilisés le plus souvent au LHC. Cette idée est désormais remise en question ; en effet, la collaboration ALICE, spécialisée dans l’étude de cet état extrême de la matière, a rapporté avoir observé en début d’année des indices de plasma de quarks et de gluons dans des collisions proton-proton et proton-plomb. Par ailleurs, l’année dernière, les collaborations LHC avaient inauguré une nouvelle manière de rechercher le plasma de quarks et de gluons, en détectant les premiers indices de ce phénomène dans des collisions oxygène-oxygène. À présent, à l’issue d’une recherche plus poussée, les expériences LHC ont pu déceler de multiples indices de formation du plasma de quarks et gluons dans des collisions oxygène-oxygène et néon-néon.

L’un des signes révélateurs de la formation du plasma de quarks et de gluons est la perte d’énergie des quarks et des gluons qui traversent ce milieu chaud et dense. Cet effet est appelé perte d’énergie des partons. La collaboration ATLAS a observé sans ambiguïté possible ce phénomène en repérant un déséquilibre entre les paires de jets de particules produites dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon. Cet effet était plus prononcé dans les collisions frontales : le volume de plasma quarks-gluons étant plus grand, on observe une plus grande perte d’énergie. De même, d’après certaines études préliminaires d’ATLAS portant sur des particules chargées qui connaissent un effet de recul par rapport aux photons, l’effet est corrélé à la centralité des collisions, ce qui correspond à la perte d’énergie subie par les particules à mesure qu’elles traversent le plasma de quarks et de gluons.

Les collaborations ALICE, CMS et LHCb ont adopté une approche différente pour repérer des indices de la perte d’énergie des partons, en étudiant l’effet d’atténuation de la production de différents types de particules énergétiques.

Dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon, CMS a observé une diminution de la production de particules chargées, par rapport aux collisions proton-proton, ce qui semble indiquer une perte d’énergie des partons et la présence de plasma de quarks et de gluons dans les collisions d’ions légers. Dans une autre étude, LHCb a comparé la manière dont la production de particules constituées d’un quark c et d’un quark léger est atténuée dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon, et a trouvé des indices montrant que l’atténuation devient plus importante dans les collisions de néon, plus lourds. Cet effet caractérise la perte d’énergie des partons et peut correspondre à la formation d’un plasma de quarks et de gluons plus volumineux à mesure que la dimension de la collision augmente.

Afin d’envisager la possibilité que des mécanismes autres que la perte d’énergie des partons contribuent à atténuer la production de particules, ALICE a examiné la production d’un autre type de particule – les pions neutres – dans les collisions oxygène-oxygène et les collisions proton-oxygène. Cette étude a montré clairement une perte d’énergie des partons dans les collisions oxygène-oxygène.

Un autre indice de la formation du plasma de quarks et de gluons est l’atténuation de la production d’états brièvement liés, constitués d’un quark lourd et de son antiquark, souvent produits lors de collisions à haute énergie. Les quarks composant ces paires peuvent être liés les uns aux autres à des degrés divers. Les scientifiques peuvent déduire la présence de plasma de quarks et de gluons en mesurant l’atténuation produite pour chacun des états liés. CMS a trouvé des indices probants de cette atténuation différenciée pour les mésons upsilon (états liés d’un quark b et de son antiquark) en comparant des collisions oxygène-oxygène et néon-néon. LHCb a trouvé des indices préliminaires de cette même atténuation, en s’appuyant sur des données issues de collisions proton-oxygène et oxygène-oxygène.

Enfin, la collaboration ALICE a publié des résultats préliminaires laissant entrevoir une autre trace du plasma de quarks et de gluons. La collaboration a constaté que les particules constituées de trois quarks (baryons) produites lors de collisions oxygène-oxygène étaient émises avec une direction privilégiée (phénomène appelé flux anisotrope) plus marquée que les particules constituées de deux quarks (mésons). L’explication la plus plausible tient à la présence de plasma de quarks et de gluons. En effet, les particules produites lors d’une collision présentent un flux anisotrope, se déplaçant à des impulsions intermédiaires. Comme les baryons contiennent un quark de plus que les mésons, ils présentent un flux plus important.

Les études sur la formation possible du plasma de quarks et de gluons dans des collisions d’ions légers se poursuivent sur la base des données du LHC. Pendant ce temps, le LHC fait l’objet de travaux qui le transformeront en un LHC à haute luminosité encore plus puissant, qui permettra sans aucun doute de mieux comprendre la nature du plasma de quark et de gluons.

Pour en savoir plus

• « ALICE uncovers parton energy loss in oxygen–oxygen collisions »
• « ATLAS observes “jet quenching” in oxygen and neon collisions »
• « CMS reports several signs of quark–gluon plasma formation in light-ion collisions »
• « LHCb presents results from light-ion collisions at Hard Probes 2026 »
• Regardez notre vidéo : « Quark-gluon plasma explained »