Les quarks lourds révèlent les secrets de l'univers primordial express
En 2010, des physiciens du Grand collisionneur de hadrons ont pour la première fois produit un plasma de quarks et de gluons — un état de la matière dans lequel les quarks et les gluons sont libres, comme l'eau dans la vapeur, et non confinés à l'intérieur des protons et des neutrons. Désormais, la collaboration ALICE a étudié comment les particules charmées — celles qui contiennent un quark c lourd — se déplacent dans un tel milieu. Le modèle standard prédit que les quarks c doivent naître dans les premiers instants de la collision, puis interagir avec le plasma comme une cuillère dans du miel.
Les scientifiques ont fait entrer en collision des noyaux de plomb à une énergie de 5,36 TeV par paire de nucléons et ont reconstruit les trajectoires des mésons D et des baryons lambda à partir de leurs désintégrations. Il s'avère que les baryons lambda, composés de trois quarks, sont plus fortement « alignés » selon la direction du plan de collision que les mésons D, composés de deux quarks. La différence de 3,7 sigma — c'est comme si, dans un flot de voitures, les camions se rangeaient plus souvent sur le bas-côté que les voitures légères.
Ce comportement s'explique par un mécanisme de fusion des quarks : les quarks légers du plasma « collent » au quark c lourd, formant un baryon. C'est comme si, dans une foule de coureurs, un coureur lourd rassemblait autour de lui des compagnons de route, et que tout le groupe se déplaçait de manière plus coordonnée. Si les particules se formaient indépendamment, il n'y aurait pas de différence. Cela signifie donc que les particules charmées ressentent réellement l'écoulement collectif du plasma.
Ce résultat est une brique de plus dans la compréhension du comportement de la matière dans les premières microsecondes après le Big Bang. À cette époque, l'univers était rempli d'un plasma de quarks et de gluons semblable, et c'est à partir de lui que se sont ensuite assemblés les protons et les neutrons, puis les atomes, les étoiles et les planètes.
Le plasma de quarks et de gluons a été produit pour la première fois au collisionneur RHIC en 2005, et il est étudié au Grand collisionneur de hadrons depuis 2010. La température de ce plasma atteint 5,5 billions de degrés — soit 100 000 fois plus chaud que le centre du Soleil.
Dans le roman « Les Quarks » d'Isaac Asimov, une civilisation a appris à extraire de l'énergie des interactions entre quarks — une idée qui fait écho à l'étude du plasma de quarks et de gluons comme source d'énergie de l'univers primordial.