Une soupe de quarks bien chaude express
L'eau dans une bouilloire chauffe jusqu'à cent degrés, puis cesse d'être de l'eau pour devenir de la vapeur. Quelque chose d'analogue se produit avec les noyaux atomiques lorsqu'on les fait entrer en collision à des vitesses énormes dans le Grand collisionneur de hadrons. À température suffisamment élevée, les protons et les neutrons qui constituent les noyaux perdent leur forme et se désagrègent en quarks et gluons libres, ces particules d'ordinaire confinées à l'intérieur des protons. Cet état est appelé plasma de quarks et de gluons, et l'on pense que c'est celui dans lequel se trouvait tout l'Univers dans les tout premiers instants après le Big Bang.
Dans cette nouvelle étude, les physiciens ont analysé les données de collisions de protons et de noyaux lourds, du plomb et du xénon, à différentes énergies. Ils ont mesuré l'énergie par unité de volume et la température de la « soupe » de particules obtenue. Ils ont ensuite calculé le rapport de l'énergie à la quatrième puissance de la température. Pour un gaz ordinaire de particules, ce rapport est constant, mais ici il se comporte différemment. À une température d'environ 210 millions d'électronvolts (soit environ 2,4 billions de degrés Celsius), le rapport commence à augmenter brusquement. Vers 230 millions d'électronvolts, il atteint la valeur prédite pour un gaz parfait de quarks et de gluons, comme si les particules cessaient de se percevoir mutuellement et devenaient libres.
Cette augmentation brutale est le signe d'une transition de phase. La matière, qui à des températures plus basses se comportait comme un liquide épais, fortement auto-interactif, devient soudain semblable à un gaz presque parfait. C'est comme la glace qui, en chauffant, devient eau puis vapeur, mais ici la transition se produit en des fractions de seconde infimes et à des échelles plus petites que le noyau atomique. Pour la première fois, les scientifiques ont vu cette transition aussi clairement dans les données du collisionneur, en comparant différents types de collisions.
Comprendre comment les quarks et les gluons s'échappent aide à reconstituer l'histoire de l'Univers primordial. Quelques microsecondes après le Big Bang, le plasma de quarks et de gluons a refroidi et s'est « figé » en protons et en neutrons, ces briques élémentaires dont sont faits aujourd'hui les étoiles, les planètes et nous-mêmes. Les expériences au collisionneur permettent de plonger dans ce tout premier et plus chaud moment de l'existence de la matière.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2601.05139
In the present work we have analyzed the transverse momentum spectra of charged particles in high multiplicity $$pp$$ collisions at LHC energies $$\sqrt s $$ = 5.02 and 13 TeV using the Color String Percolation Model (CSPM). For heavy ions $$Pb-Pb$$ at $$\sqrt {s_{NN}} $$ = 2.76 and 5.02 TeV along with $$Xe-Xe$$ at $$\sqrt {s_{NN}} $$= 5.44 TeV have been analyzed. The initial temperature is extracted both in low and high multiplicity events in $${\it pp}$$ collisions. For $$A-A$$ collisions the temperature is obtained as a function of centrality. From the measured energy density $$ \varepsilon$$ and the temperature T the dimensionless quantity $$ \varepsilon/T^{4}$$ is obtained. Our results for Pb-Pb and Xe-Xe collisions show a sharp increase in $$\varepsilon/T^{4}$$ above T $$\sim$$ 210 MeV and reaching the ideal gas of quarks and gluons value of $$ \varepsilon/T^{4} \sim$$ 16 at temperature $$\sim $$ 230 MeV. At this temperature there is a transition from the fluid behavior of QCD matter strongly interacting to a quasi free gas of quarks and gluons.
La température du plasma de quarks et de gluons dans l'expérience est environ 100 000 fois plus élevée que celle du centre du Soleil, mais elle ne dure que $10^{-23}$ seconde.