Dans l’Univers d’aujourd’hui, presque tous les quarks sont agencés de façon à former des particules plus lourdes, et restent bien collés les uns aux autres sous l’effet d’autres particules qui portent bien leur nom : les gluons. Pourtant, durant les quelques millionièmes de seconde qui ont suivi le Big Bang, les quarks et les gluons n’étaient pas confinés de la sorte. Au contraire, ils formaient un état de la matière appelé « plasma quark-gluon ». En étudiant le plasma quark-gluon recréé à partir de collisions de noyaux de plomb au Grand collisionneur de hadrons (LHC), la collaboration CMS a observé directement la façon dont les particules traversaient ce plasma en formant un sillage comparable à celui qu’un bateau laisse sur l’eau.

« Cette observation marque l’aboutissement de plusieurs décennies de recherche concernant le phénomène du sillage, déclare Olga Evdokimov (Université de l’Illinois Chicago), l’une des responsables de l’étude. Ce phénomène avait été prédit par la théorie il y a une vingtaine d’années, mais n’a pu être mis en évidence dans les données expérimentales. »

Quand des noyaux lourds tels que les noyaux de plomb entrent en collision, les quarks et les gluons chargés en énergie (collectivement appelés « partons ») sont produits sous la forme de gerbes de particules appelées « jets ». Lorsque ces partons traversent le plasma, ils lui transfèrent une part de leur énergie et de leur impulsion.

Pour cerner les propriétés du plasma, il est essentiel de comprendre la perte d’énergie des partons ainsi que la manière dont le plasma réagit à ce phénomène. Alors que la première observation de l’impact du plasma sur les jets de partons remonte à plus de deux décennies, les recherches expérimentales visant à détecter des signes de réponse du plasma, comme l’effet de sillage, se sont avérées bien plus longues et plus complexes. En effet, les signaux recherchés sont subtils et peuvent donc être facilement éclipsés par d’autres effets. De récentes mesures de CMS portant sur des événements de collision mettant en jeu une particule, le boson Z, et un jet de particules, ont constitué le premier indice probant de l’existence d’un sillage. Néanmoins, le signal n’était pas assez fort pour confirmer cette observation. 

Dans un nouvel article, la collaboration CMS explique s’être appuyée sur les dernières avancées théoriques pour rechercher le signal d’un sillage. Elle a ainsi utilisé des paires de jets « dos à dos », qui se propagent dans des directions opposées, issues de collisions d’ions lourds. Étant donné que les paires de jets dos à dos sont produites bien plus fréquemment qu’un boson Z accompagné d’un jet, il s’agissait d’un excellent moyen de rechercher l’effet de sillage. De plus, la propagation des deux jets dans des directions opposées a permis aux chercheurs de ne pas confondre le signal du sillage avec d’autres effets induits par les jets. Ces mesures inédites font apparaître une diminution nette des particules dans le sillage du jet, ce qui correspond bien aux propriétés envisagées pour un sillage.

Les chercheurs ont également étudié la façon dont la force du signal de sillage varie selon le degré de chevauchement des noyaux de plomb au moment de la collision. Plus le chevauchement des noyaux est grand, plus la quantité de PQG augmente, permettant ainsi d’observer un signal de sillage plus fort. 

« L’observation et la quantification du sillage du plasma quark-gluon ouvre de nouvelles perspectives pour cerner les propriétés et les dynamiques de cet état de la matière, explique Raghunath Pradhan (Université de l’Illinois Chicago), responsable de l’étude. Cela pourrait améliorer notre compréhension de l’évolution de l’Univers primordial. »