Dans les premières microsecondes qui ont suivi le Big Bang, l’Univers était constitué d’un état de la matière extrêmement dense et chaud appelé plasma quark-gluon, lequel peut être reproduit dans les collisions de haute énergie entre ions lourds tels que les ions plomb. Dans un article publié aujourd’hui dans Nature Communication, la collaboration ALICE annonce avoir observé une configuration commune remarquable dans les collisions proton-proton, proton-plomb et plomb-plomb au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ce qui jette une lumière nouvelle sur la formation et l’évolution du plasma quark-gluon dans de petits systèmes de collision.
On pensait initialement que les petits systèmes de collision, par exemple les collisions de protons, ne pouvaient pas générer les températures et les pressions extrêmes nécessaires pour la formation du plasma quark-gluon. Cependant, ces dernières années, des signatures de ce plasma ont été observées au LHC, ce qui indique que la dimension du système de collision pourrait ne pas constituer un facteur limitant pour la création de cet état de la matière particulier.
Une signature très importante de la formation du plasma quark-gluon est le flux anisotrope, phénomène dans lequel les particules produites dans une collision sont émises, non de façon homogène dans toutes les directions, mais plutôt dans des directions privilégiées. Pour les particules se déplaçant à des vitesses (des impulsions) intermédiaires, ce flux anisotrope dépend du nombre de quarks qu’elles contiennent : les baryons, particules contenant trois quarks, présentent un flux plus important que les mésons, composés de deux quarks. L’explication le plus souvent proposée pour cette différence est la coalescence des quarks, c’est-à-dire le processus par lequel les quarks présents dans le plasma quark-gluon se combinent pour former des particules plus grandes. Comme les baryons contiennent un quark de plus que les mésons, ils acquièrent un flux plus important.
Dans cette nouvelle étude, la collaboration ALICE mesure le flux anisotrope de multiples espèces de mésons et de baryons produites dans des collisions proton-proton et proton-plomb, en isolant soigneusement les particules comprises dans le même flux. L’analyse montre que, comme dans les collisions d’ions lourds, le flux anisotrope est beaucoup plus fort pour les baryons que pour les mésons à des impulsions intermédiaires.
« C’est la première fois que nous observons, sur une large gamme d’impulsions et pour de multiples espèces, cette configuration de flux, dans un sous-ensemble de collisions de protons dans lesquelles est produit un nombre de particules inhabituellement élevé, souligne David Dobigkeit Chinellato, coordinateur pour la physique de l’expérience ALICE. Nos résultats viennent renforcer l’hypothèse qu’un système de quarks en expansion est présent même si la taille du système de collision est petite. »
Les chercheurs d’ALICE ont ensuite comparé les nouvelles mesures de flux aux prédictions issues des simulations basées sur les hypothèses de formation et d’évolution du plasma quark-gluon. Ils ont constaté que les modèles intégrant le flux anisotrope des quarks et leur coalescence en mésons et baryons arrivent à expliquer la configuration de flux observée, ce qui n’est pas le cas pour les modèles qui ne tiennent pas compte de l’un de ces deux processus. Néanmoins, même les modèles qui fonctionnent ne sont pas tout à fait justes. Il reste des écarts entre les modèles et les données, en raison, en grande partie, des incertitudes subsistant dans la modélisation de la sous-structure du proton et dans la géométrie initiale des collisions.
« Nous espérons que, avec les collisions d’ions oxygène – intermédiaires entre les collisions de protons et les collisions d’ions plomb – enregistrées en 2025, nous aurons de nouveaux éléments sur la nature et l’évolution du plasma quark-gluon sur un ensemble de systèmes de collision différents », explique Kai Schweda, porteparole d’ALICE.