Les collisions d'ions de plomb relativistes au LHC (Large Hadron Collider) permettent de reproduire l'état de la matière appelé « plasma de quarks et de gluons » (QGP) qui aurait prévalu dans l'Univers quelques microsecondes après le big-bang. Les quarks et les gluons sont alors « libérés » des protons et des neutrons dans lesquels ils étaient liés et par collisions successives, produisent de nouvelles particules. Il apparaît alors un mouvement collectif de particules (« flot ») que les physiciens ont observé au LHC et qui signe l'existence d'un QGP.
Afin d'en savoir plus sur le QGP et les particules qui le composent, les chercheurs étudient dans quelle mesure certaines particules massives – contenant un quark « lourd » créé aux premiers instants des collisions des ions de plomb, avant la formation du QGP – participent à ce flot. Elles constituent des sondes privilégiées du QGP.
C'est en particulier le cas des particules contenant un quark charmé (c) ou un quark beau (b), encore plus lourd que le quark c :
- les « mésons D », composés d'un quark c lié à un quark « léger » up ou down,
- les « mésons J/ψ », composés d'un quark c lié à son antiquark (c-cbar),
- les « Upsilon (1S) », composé d'un quark b lié à son antiquark (b-bbar).
Lorsque les noyaux lourds n'entrent pas en collision frontale, le plasma s'allonge et son expansion conduit à une modulation elliptique du flot. La collaboration Alice a observé que dans ce cas, les flots elliptiques des particules diffèrent selon leur nature et se classent par ordre décroissant :
- les « pions » qui ne contiennent que des quarks légers,
- les mésons D,
- les mésons J/ψ, avec un flot faible mais détectable,
- les Upsilon (1S), sans flot significatif.
Ces résultats suggèrent que les quarks c sont entraînés par l'expansion du QGP, mais dans une moindre mesure que les quarks légers, et que les mésons D comme les mésons J/ψ, à de faibles impulsions, sont en partie formés par la liaison ou recombinaison de quarks en mouvement. Les particules Upsilon, quant à elles, ne présentent pas de flot significatif, probablement en raison de leur masse beaucoup plus élevée et du faible nombre de quarks b pouvant se prêter à une recombinaison.
Le flot des quarks lourds sera davantage étudié avec le lot de données bien plus large qui sera acquis par la collaboration à partir de 2021 et pour lesquels des améliorations du détecteur sont en cours.