Au LHC, des noyaux de plomb sont accélérés à une énergie tellement colossale que les collisions plomb-plomb peuvent recréer l'état de la matière extrêmement dense qu'a connu l'Univers peu après le big-bang : un plasma de quarks et de gluons.

« Il faut imaginer quelque 35 000 particules confinées un très bref instant (3x10^-23 s) dans le volume d'un noyau atomique, détaille Jean-Yves Ollitrault, théoricien de l'IPhT. Si elles échappent à toute observation, il est toutefois possible de recueillir des informations sur environ 2000 particules filles, succédant au plasma de quarks et de gluons (pions, kaons, protons, etc.) dans les détecteurs de la collaboration CMS. »

Un enfer de 2 500 milliards de degrés

À l'aide d'un modèle robuste d'hydrodynamique, des chercheurs de l'IPhT sont parvenus à déterminer la température du plasma de quarks et de gluons. Ils l'ont établie en calculant la quantité de mouvement des 2 000 particules filles, mesurée par le rayon de leur trajectoire hélicoïdale. « Nous avons calculé que la température représente 1/3 de la quantité de mouvement par particule, soit une température de 2 500 milliards de degrés », précise Jean-Yves Ollitrault. Un record de température… bien au-delà des 150 millions de degrés des plasmas de fusion des tokamaks ou des 15 millions de degrés au cœur du Soleil.

« D'une collision à l'autre et suivant sa qualité, le plasma de quarks et de gluons contient plus ou moins de particules (±15 %) tout en occupant un volume identique. Nous avons donc eu l'idée de sonder la compressibilité de cet état extrême en observant l'évolution de la température avec la densité de particules, une valeur qui donne accès à la vitesse du son dans ce milieu. » Si la vitesse du son est de 340 mètres par seconde à température ambiante, les théoriciens l'ont évaluée dans un tel environnement à environ 50 % de celle de la lumière (300 000 km/s).

Quantité de mouvement par particule en fonction du nombre de particules observées dans une collision entre deux noyaux d’atomes de plomb au LHC. L’augmentation prédite par les théoriciens (pointillés noirs) est vérifiée par la collaboration CMS (points rouges). © IPhT-CMS​

Ces prédictions ont été confirmés par les expérimentateurs de CMS qui ont mesuré très précisément la vitesse du son dans ce plasma quarks-gluons : celle-ci atteint 49,1 % (± 1,6 %) de la vitesse de la lumière. Ils ont également déterminé que la température du plasma vaut 219 MeV (± 8 MeV), soit 2 540 milliards de degrés (± 90 milliards). Ces résultats cachent un travail de titan où chaque valeur résulte d'une moyenne sur 20 millions de collisions à 1000 suivant la rareté de l'événement ! Le dernier mot revient au théoricien de l'IPhT : « nous sommes proches d'une limite, la vitesse du son pourrait ne pas excéder 58 % de celle de la lumière. » ​

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