L'expérience du Grand collisionneur de hadrons pour fabriquer du quark

Depuis 30 ans, les physiciens du monde entier tentent de reconstituer la formation des particules vitales au tout début de l’Univers. ALICE est leur effort le plus puissant à ce jour.

Par Rahul Rao | Publié le 31 août 2023 à 6h00 HAE

NORMALEMENT, créer un univers n'est pas le travail du Grand collisionneur de hadrons (LHC). La plupart des travaux scientifiques éreintants – la détection et le suivi des bosons de Higgs, par exemple – réalisés par le plus grand accélérateur de particules au monde se déroulent lorsqu'il lance de modestes protons à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.

Mais pendant environ un mois vers la fin de chaque année, le LHC remplace ses munitions par des protons par des balles environ 208 fois plus lourdes : des ions plomb.

Lorsque le LHC écrase ces ions les uns contre les autres, les scientifiques peuvent, s'ils ont tout compris correctement, apercevoir une gouttelette fugace d'un univers comme celui qui a cessé d'exister quelques millionièmes de seconde après le big bang.

C'est l'histoire du plasma quark-gluon. Prenez un atome, n’importe quel atome. Décollez ses nuages ​​d'électrons tourbillonnants pour révéler son noyau, le noyau atomique. Ensuite, découpez finement le noyau en ses composants de base, protons et neutrons.

Lorsque les physiciens ont divisé pour la première fois un noyau atomique au début du XXe siècle, ils n’avaient pas atteint ce stade. Les protons, les neutrons et les électrons formaient la masse de l'univers entier – enfin, ceux-là, plus des particules de particules chargées électriquement à courte durée de vie comme les muons. Mais les calculs, les accélérateurs de particules primitifs et les rayons cosmiques frappant l'atmosphère terrestre ont commencé à révéler une ménagerie supplémentaire de particules ésotériques : des kaons, des pions, des hypérons et d'autres qui semblent donner des pouvoirs psychiques aux extraterrestres.

Il semblait plutôt inélégant de la part de l'univers de présenter autant d'ingrédients de base. Les physiciens ont vite compris que certaines de ces particules n'étaient pas du tout élémentaires, mais des combinaisons de particules encore plus petites, qu'ils ont nommées avec un mot en partie inspiré du Finnegans Wake de James Joyce : quarks.

Les quarks se déclinent en six « saveurs » différentes, mais la grande majorité de l’univers observable n’en comprend que deux : les quarks up et les quarks down. Un proton est constitué de deux quarks up et d'un quark down ; un neutron, deux vers le bas et un vers le haut. (Les quatre autres, par ordre croissant de lourdeur et d'insaisissable : les quarks étranges, les quarks charmes, les quarks beauté et le quark top.)

À ce stade, la liste des ingrédients se termine. Vous ne pouvez normalement pas découper un proton ou un neutron en quarks dans notre monde ; dans la plupart des cas, les quarks ne peuvent exister seuls. Mais dans les années 1970, les physiciens avaient trouvé une solution : chauffer les choses. À un point que les scientifiques appellent la température de Hagedorn, ces particules subatomiques sont réduites à une soupe de quarks à haute énergie et aux particules encore plus petites qui les collent ensemble : les gluons. Les scientifiques ont surnommé cette soupe plasma quark-gluon (QGP).

C'est une recette alléchante car, encore une fois, les quarks et les gluons ne peuvent normalement pas exister seuls, et les reconstruire à partir des particules plus grosses qu'ils construisent est un défi. "Si je vous donne de l'eau, il est très difficile de déterminer les propriétés [des atomes d'hydrogène et d'oxygène]", explique Bedangadas Mohanty, physicien à l'Institut national indien d'enseignement et de recherche scientifiques et au CERN. "De même, je peux vous donner des protons, des neutrons, des pions... mais si vous voulez vraiment étudier les propriétés des quarks et des gluons, vous en avez besoin dans une boîte, gratuitement."

Ce n'est pas une recette que vous pouvez tester dans un four domestique. En unités du monde quotidien, la température dans un système hadronique est d’environ 3 000 milliards de degrés Fahrenheit, soit 100 000 fois plus chaude que le centre du soleil. Le meilleur appareil pour ce travail est un accélérateur de particules.

Mais n’importe quel accélérateur de particules ne fera pas l’affaire. Vous devez booster vos particules avec suffisamment d’énergie. Et lorsque les scientifiques ont décidé de créer le QGP, le LHC n’était qu’un rêve d’un avenir lointain. Au lieu de cela, le CERN disposait d'un collisionneur plus ancien qui ne faisait qu'environ un quart de la circonférence du LHC : le Super Synchrotron à Protons (SPS).