Glace, eau, vapeur — des transitions de phase que tout le monde connaît. Mais que se passe-t-il si l'on comprime et chauffe le noyau de l'atome lui-même ? Les théoriciens pensent que les protons et les neutrons qu'il contient « fondent », libérant des briques plus petites — les quarks et les gluons. On obtient une bouillie brûlante appelée plasma de quarks et de gluons. Elle remplissait l'Univers dans les premières microsecondes après le Big Bang.

Au CERN, sur l'accélérateur SPS, se trouve l'installation NA61/SHINE — en fait, un microscope géant qui observe ces micro-explosions. Des ions lourds (par exemple, des noyaux de plomb) sont accélérés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière et projetés sur une cible fixe. L'énergie de l'impact crée un instant une température de plusieurs milliers de milliards de degrés — suffisante pour « faire fondre » la matière nucléaire. L'expérience fait varier l'énergie du faisceau (de 13 à 158 gigaelectronvolts par nucléon) et les types de noyaux en collision — des protons isolés au plomb lourd — comme si l'on ajustait le feu sous une casserole et la taille de la casserole elle-même.

L'indice principal de la naissance du plasma est le comportement des quarks « étranges ». Dans la matière ordinaire, ils sont presque absents, mais dans le plasma, ils apparaissent en abondance. Les scientifiques suivent le rapport entre le nombre de particules étranges et le nombre de pions (les particules les plus légères, produites en abondance). Selon le modèle statistique de la phase précoce, sur le graphique de ce rapport en fonction de l'énergie de collision, un « pic » devrait apparaître — une montée brutale, puis une descente. Cela rappelle le moment de l'ébullition : la température de l'eau cesse d'augmenter alors que le chauffage continue, parce que l'énergie est utilisée pour briser les liaisons, et non pour chauffer.

Les récentes données de NA61/SHINE montrent effectivement un tel pic autour de 30 gigaelectronvolts, et la forme du pic dépend de la taille des noyaux en collision. Les résultats sont comparés aux données d'autres expériences dans le monde, et le tableau converge : la transition de la matière nucléaire ordinaire au plasma de quarks et de gluons ne se produit pas brusquement, mais à travers une région floue — comme la fonte du beurre, et non de la glace. Cette exploration systématique « bidimensionnelle » — en énergie et en taille du système — aide à dresser une carte complète des états de la matière nucléaire, des noyaux froids au plasma brûlant.

Glace, eau, vapeur… et plasma de quarks et de gluons. Les physiciens ajoutent à cette liste un autre état de la matière que l'on ne peut créer qu'en chauffant un instant une gouttelette d'Univers à des températures inimaginables.