Représentation artistique de la pulvérisation de particules résultant de la collision de deux atomes lourds. Alors que la soupe subatomique chaude refroidit, les particules nouvellement formées se dispersent dans l'espace. Crédit : Joseph Dominicus Lap, édité
Des scientifiques ont recréé les conditions extrêmes de l’univers primitif dans des accélérateurs de particules, révélant des informations surprenantes sur la formation de la matière.
De nouveaux calculs montrent que jusqu'à 70 % de certaines particules peuvent provenir de réactions ultérieures plutôt que de la soupe initiale de quarks et de gluons formée juste après la réaction. Big Bang. Cette découverte remet en cause les hypothèses antérieures sur la chronologie de la formation de la matière et suggère qu'une grande partie de la matière qui nous entoure s'est formée plus tard que prévu. En comprenant ces processus, les scientifiques peuvent mieux interpréter les résultats des expériences menées avec des collisionneurs et affiner leur connaissance des origines de l'univers.
Recréer les conditions extrêmes de l'univers primitif
L'Univers primitif était 250 000 fois plus chaud que le noyau de notre Soleil. C'est bien trop chaud pour former les protons et les neutrons qui constituent la matière de tous les jours. Les scientifiques recréent les conditions de l'Univers primitif dans des accélérateurs de particules en fracassant des atomes à une vitesse proche de celle de la lumière. La mesure de la pluie de particules qui en résulte permet aux scientifiques de comprendre comment la matière s'est formée.
Les particules mesurées par les scientifiques peuvent se former de diverses manières : à partir de la soupe originelle de quarks et de gluons ou à partir de réactions ultérieures. Ces dernières réactions ont commencé 0,000001 seconde après le Big Bang, lorsque les particules composites constituées de quarks ont commencé à interagir les unes avec les autres. Un nouveau calcul a déterminé que jusqu'à 70 % de certaines particules mesurées proviennent de ces réactions ultérieures, et non de réactions similaires à celles de l'univers primitif.
Comprendre les origines de la matière
Cette découverte améliore la compréhension scientifique des origines de la matière. Elle permet d’identifier quelle quantité de matière qui nous entoure s’est formée dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, par rapport à la quantité de matière formée à partir de réactions ultérieures au cours de l’expansion de l’univers. Ce résultat implique que de grandes quantités de matière qui nous entourent se sont formées plus tard que prévu.
Pour comprendre les résultats des expériences menées avec des collisionneurs, les scientifiques doivent faire abstraction des particules formées lors des réactions ultérieures. Seules celles formées dans la soupe subatomique révèlent les conditions primitives de l'univers. Ce nouveau calcul montre que le nombre de particules mesurées formées lors des réactions est bien plus élevé que prévu.
Importance des réactions ultérieures dans la formation des particules
Dans les années 1990, les physiciens ont réalisé que certaines particules se formaient en nombre important à partir des réactions ultérieures suivant la phase initiale de formation de l'univers. Des particules appelées mésons D peuvent interagir pour former une particule rare, le charmonium. Les scientifiques n'ont pas réussi à s'accorder sur l'importance de cet effet. Le charmonium étant rare, il est difficile à mesurer.
Cependant, des expériences récentes fournissent des données sur le nombre de charmonium et de mésons D produits par les collisionneurs. Université Yale et l'Université Duke ont utilisé les nouvelles données pour calculer l'intensité de cet effet. Il s'avère qu'il est beaucoup plus important que prévu. Plus de 70 % du charmonium mesuré pourrait être formé lors de réactions.
Implications pour la compréhension des origines de la matière
Lorsque la soupe chaude de particules subatomiques refroidit, elle se dilate en une boule de feu. Tout cela se produit en moins d'un centième du temps qu'il faut à la lumière pour traverser une atome. Étant donné la rapidité du phénomène, les scientifiques ne savent pas exactement comment la boule de feu se développe.
Les nouveaux calculs montrent que les scientifiques n'ont pas absolument besoin de connaître les détails de cette expansion. Les collisions produisent de toute façon une quantité importante de charmonium. Ce nouveau résultat rapproche les scientifiques de la compréhension des origines de la matière.
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département de l'énergie, programme de physique nucléaire. L'un des chercheurs remercie également l'hospitalité et le soutien financier fournis lors d'un séjour sabbatique à l'Université Yale.
