Créer la matière quelques micro-secondes après le big-bang

Dans les expériences Phenix et Star, des noyaux d'or sont accélérés à des vitesses de l'ordre de 99,995% de la vitesse de la lumière dans le collisionneur Rhic, un accélérateur de particules d'environ 4 km de circonférence situé au Brookhaven National Laboratory près de New-York (États-Unis). Les collisions de ces noyaux sont destinées à produire un plasma de quarks et de gluons, reproduisant ainsi, à l'échelle des noyaux des atomes, l'état de la matière quelques micro-secondes après le big-bang.

Lors de ces collisions, les conditions de température et de densité sont telles que les protons et les neutrons des noyaux d'or se transforment en une soupe constituée de leurs constituants élémentaires : les quarks et les gluons. La mesure d'un excès dans la production de photons émis dans les collisions de noyaux d'or comparé à la même mesure effectuée dans des collisions de protons a permis aux chercheurs de la collaboration Phenix d'en déduire que la température atteinte dans les collisions de noyaux d'or était de l'ordre de quatre mille milliards de degré Celsius, environ 250 000 fois plus chaud que la température atteinte au centre du Soleil.

Brisures de symétrie lors de changement de phase de la matière...

De leur côté, les physiciens de la collaboration Star ont annoncé avoir observé les premières indications d'une brisure locale de la parité (ou symétrie "miroir") dans les interactions fortes entre quarks et gluons ; une symétrie selon laquelle les lois de la physique restent inchangées si on regarde la nature dans un miroir. Les derniers résultats suggèrent que la brisure de la parité serait réalisée localement, dans des "bulles" de plasma. Ces observations indiquent que, si les quarks de charge électrique positive sont émis préférentiellement le long du champ magnétique intense créé dans une collision donnée, les quarks de charge négative le sont préférentiellement dans la direction opposée.

En plus de cette asymétrie observée au Rhic, les scientifiques ont estimé que des bulles similaires créées encore plus précocement après la naissance de l'Univers pourraient faciliter la prédominance de la matière sur l'antimatière dans notre Univers. S'il ne résout pas le problème de la disparition de l'antimatière dans l'Univers, ce résultat permet de mieux comprendre comment les brisures de symétrie peuvent se produire lors de changement de phase de la matière, comme ici, lors du passage de la matière nucléaire normale à ces bulles de plasma de quarks et de gluons.

QGP: Un liquide presque parfait

Ces nouvelles mesures constituent une avancée majeure vers la compréhension de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes, compréhension vers laquelle les expériences du Rhic ont permis de progresser de manière spectaculaire depuis la mise en fonctionnement du collisionneur américain en juin 2000. Dès 2005 notamment, les physiciens étaient parvenus à créer une matière faite de quarks et de gluons, s'apparentant à un liquide presque parfait.

Implication Française

Des laboratoires de l'IN2P3(1) et du CEA(2) ont contribué à ces succès, grâce à leur implication que ce soit dans la construction de détecteurs ou dans les analyses des données collectées par les expériences Star et Phenix.

Le service de physique nucléaire (SPhN) du  CEA/Irfu participe plus particulièrement à l'expérience Phenix depuis 2002, en étudiant la physique des résonances lourdes à l'aide des spectromètres à muons. Le groupe a pris part aux prises de données qui ont conduit au résultat en photons de Phenix. L'un de ses physiciens est actuellement en mission longue durée auprès de cette expérience.

Les résultats au Rhic sont également particulièrement excitants à l'heure où le grand collisionneur du Cern, le LHC, va produire ses premiers faisceaux à des énergies jamais égalées sur Terre. Les investigations vont ainsi se poursuivre au LHC, en comptant sur la participation des physiciens français dans l'expérience CMS(3) et plus particulièrement dans l'expérience Alice, entièrement dédiée à l'étude de ce plasma de quarks et de gluons et dans laquelle l'IN2P3/CNRS(4) et le CEA(5) sont impliqués très largement : après la construction de plusieurs détecteurs d'Alice, les physiciens se préparent à la collecte de ces données tant attendues.

(1) Institut pluridisciplinaire Hubert Curien - IPHC (CNRS/Université de Strasbourg), Laboratoire Leprince-Ringuet - LLR (CNRS/École Polytechnique), Institut de physique nucléaire d'Orsay - IPNO (CNRS/Université Paris 11), Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand - LPC-Clermont (CNRS/Université Blaise Pascal), Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées - Subatech (CNRS/École des mines/Université de Nantes)
(2) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers - Irfu
(3) Laboratoire Leprince-Ringuet - LLR (CNRS/École Polytechnique)
(4) Institut pluridisciplinaire Hubert Curien - IPHC (CNRS/Université de Strasbourg), Institut de physique nucléaire de Lyon - IPNL (CNRS/ l'Université Claude Bernard), Institut de physique nucléaire d'Orsay - IPNO (CNRS/Université Paris 11), Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand - LPC-Clermont (CNRS/Université Blaise Pascal), Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie - LPSC (CNRS/Université Grenoble1/Institut Polytechnique Grenoble), Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées - Subatech (CNRS/École des mines/Université de Nantes), Centre de Calcul de l'IN2P3 (CNRS)
(5) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers - Irfu

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