Des physiciens recréent un « Petit Big Bang » avec des noyaux atomiques étonnamment petits
Des chercheurs de l’Université de Copenhague ont réussi à recréer l’état primordial de la matière qui aurait rempli l’Univers juste après le Big Bang, en utilisant des collisions entre des noyaux atomiques beaucoup plus petits que ce que les scientifiques pensaient possible. Ces versions microscopiques de l’Univers primitif pourraient aider à mieux comprendre les premiers moments de l’histoire cosmique ainsi que des questions fondamentales en physique nucléaire.
À CERN, en Suisse, des physiciens s’efforcent de répondre à la question suivante : à quoi ressemblait l’Univers avant l’apparition des étoiles, des planètes et des atomes ? Les chercheurs de l’Institut Niels Bohr, en collaboration avec des scientifiques de l’expérience internationale ALICE, ont franchi une étape importante vers cet objectif.
Recréation de la matière primordiale de l’Univers
Au CERN, les noyaux atomiques peuvent être accélérés à près de la vitesse de la lumière et percutés. Ces collisions peuvent créer de minuscules gouttes de plasma quark-gluon, un état de matière extraordinaire censé avoir rempli l’Univers durant sa première millionième de seconde. Les scientifiques pensaient jusqu’à présent que la production de ce plasma nécessitait des collisions entre des noyaux très lourds, comme ceux de plomb. Les nouvelles expériences montrent que des noyaux beaucoup plus petits peuvent également générer cette matière primordiale, ayant réussi à la créer en percutant des noyaux d’oxygène-16 et de néon-20.
« Nous avons repoussé la limite de la taille des noyaux atomiques pouvant recréer cette matière primordiale – ce que l’on pourrait appeler un Petit Big Bang. Nous savons maintenant davantage sur les conditions fondamentales requises pour que la matière passe à cet état extrême », a déclaré le professeur associé You Zhou, qui a dirigé l’expérience.
Les résultats de cette recherche, réalisés dans le cadre de l’expérience internationale ALICE, ont été publiés dans la revue prestigieuse Physical Review Letters.
Une petite explosion avec une signature en forme de quille de bowling
Lors des collisions à grande vitesse entre noyaux atomiques, leurs constituants peuvent se transformer en une petite goutte de plasma quark-gluon. Cette goutte ne survit qu’un très bref instant avant de s’étendre et de se convertir en d’autres particules. Les scientifiques ne peuvent pas observer le plasma directement ; ils ment plutôt les particules qui émergent immédiatement après et étudient leur mouvement.
Les nouveaux résultats montrent que ces motifs de mouvement conservent des informations sur la forme originale des noyaux en collision. Les collisions entre deux noyaux d’oxygène génèrent un motif relativement arrondi, tandis que celles impliquant du néon créent un motif distinctif en forme de quille de bowling.
Utilisation de collisions extrêmes pour sonder la structure nucléaire
Les physiciens tentent de comprendre les formes et les structures internes des noyaux atomiques depuis plus de 70 ans. La forme d’un noyau est cruciale, car elle reflète l’agencement des protons et des neutrons et peut fournir des informations précieuses sur la force forte, l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Traditionnellement, les physiciens ont étudié la structure nucléaire à l’aide d’expériences à faible énergie. La nouvelle approche inverse cette stratégie : au lieu de sonder doucement les noyaux, les chercheurs les percutent à des énergies maximales et reconstruisent leurs formes à partir des motifs laissés derrière.
Quelle est la limite de la taille d’un Petit Big Bang ?
Les scientifiques ne savent pas encore exactement jusqu’à quelle taille un système de collision peut se réduire tout en produisant du plasma quark-gluon. Déterminer cette limite est l’un des prochains grands objectifs. L’équipe prévoit donc de réaliser d’autres expériences en utilisant des noyaux atomiques encore plus légers, y compris l’hélium-4.
Qu’est-ce que le plasma quark-gluon ?
Le plasma quark-gluon est un état de matière extrêmement chaud et dense qui existait durant la première millionième de seconde après le Big Bang. À cette époque, les températures étaient si extrêmes que les protons et les neutrons n’avaient pas encore formé. Au fur et à me que l’Univers s’est étendu, sa température a diminué, permettant aux quarks et gluons de se lier ensemble, formant ainsi les protons et neutrons qui constituent les noyaux atomiques et, finalement, la matière ordinaire que l’on trouve dans les étoiles, les planètes et nous-mêmes.
Source : Physical Review Letters
