La puissante force nucléaire pourrait brusquement relâcher son emprise sur les particules fondamentales qui composent la matière à un « point critique » particulier – les chercheurs ont désormais une idée plus claire du moment où ce point est atteint.
Le détecteur STAR du collisionneur d'ions lourds relativistes
Nous nous rapprochons de la compréhension du moment où la puissante force nucléaire relâche son emprise sur les constituants les plus fondamentaux de la matière, laissant les quarks et les gluons contenus dans les particules se transformer brusquement en une soupe chaude de particules.
Il existe une combinaison particulière de température et de pression à laquelle deux phases de l’eau – liquide et vapeur – existent simultanément. Depuis des décennies, les chercheurs recherchent un « point critique » similaire pour la matière régie par la forte force nucléaire, qui lie les quarks et les gluons en protons et neutrons.
L’écrasement des ions dans les collisionneurs de particules peut créer un état dans lequel la force puissante se décompose et permet aux quarks et aux gluons de former un « plasma quark-gluon » moelleux. Mais il reste difficile de savoir si cette transition sera précédée d’un point critique. Xin Dong du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie et ses collègues sont désormais sur le point de clarifier la situation.
Ils ont analysé le nombre et la répartition des particules créées à la suite de la collision de deux ions d'or très énergétiques au collisionneur d'ions lourds relativistes du laboratoire national de Brookhaven, dans l'État de New York. Dong dit qu'ils essayaient en fait de créer un diagramme de phase pour les quarks et les gluons – une carte montrant quels types de matière la force forte permet de former dans différentes circonstances. La nouvelle expérience n’a pas identifié avec certitude le point critique sur cette carte, mais elle a considérablement réduit la région où il pourrait se trouver.
Il y a une partie du diagramme de phases où la matière « fond » progressivement en plasma, comme du beurre ramollissant sur le comptoir, mais le point critique s'alignerait sur une transition plus abrupte, comme des morceaux de glace apparaissant soudainement dans de l'eau liquide, explique Agnieszka Sorensen de l'installation de faisceaux d'isotopes rares du Michigan, qui n'a pas participé aux travaux. La nouvelle expérience servira non seulement de guide pour savoir où chercher ce point, mais elle a également révélé quelles propriétés des particules peuvent offrir les meilleurs indices sur son existence, dit-elle.
Claudia Ratti de l'Université de Houston au Texas affirme que de nombreux chercheurs attendaient avec impatience cette nouvelle analyse car elle donnait une précision que les mesures précédentes ne pouvaient pas atteindre, et cela pour une partie du diagramme de phase où les calculs théoriques sont notoirement difficiles. Récemment, plusieurs prédictions concernant l'emplacement du point critique ont convergé, et le défi pour les expérimentateurs sera d'analyser les données pour les énergies de collision encore plus faibles correspondant à ces prédictions, dit-elle.
Une détection sans ambiguïté du point critique constituerait une avancée générationnelle, estime Dong. Cela s’explique en partie par le fait que la force forte est la seule force fondamentale dont les physiciens soupçonnent qu’elle présente un point critique. De plus, cette force a joué un rôle important dans la formation de notre univers : elle a régi les propriétés de la matière chaude et dense créée juste après le big bang, et elle dicte toujours la structure des étoiles à neutrons. Dong dit que des expériences de collisionneur comme la nouvelle pourraient nous aider à comprendre ce qui se passe à l’intérieur de ces objets cosmiques exotiques une fois que nous aurons complété le diagramme de phase des forces fortes.
