Résoudre un mystère aussi vieux que le Big Bang
Notre univers est apparu lors du Big Bang il y a près de 14 milliards d’années. Dans ces premiers instants, tout n’était qu’un plasma extrêmement chaud de particules élémentaires se dilatant à une vitesse proche de celle de la lumière. La majorité d’entre elles étaient des quarks, les constituants de la matière visible, et des gluons, qui, comme leur nom l’indique, servent de médiateurs à la force nucléaire forte entre les quarks. Les scientifiques peuvent recréer artificiellement ces conditions en faisant entrer en collision des ions lourds aux plus grandes énergies de collision disponibles dans les accélérateurs de particules, et ont apporté des preuves de l’existence de cet état extrême de la matière, nommé plasma de quarks et de gluons, ou QGP (pour Quark-Gluon Plasma). Pourtant, alors que l’on supposait que le QGP se comportait comme un gaz à faible interaction, les expériences sur les ions lourds menées au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) à Brookhaven, aux États-Unis, et au grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN ont démontré qu’il se comportait plutôt comme un liquide fortement couplé. Dans le cadre du projet QGP-MYSTERY, financé par le Conseil européen de la recherche, les chercheurs ont exploré les propriétés du QGP aux plus hautes énergies obtenues à ce jour au LHC, afin de mieux comprendre cet état énigmatique de la matière. «Les principales implications sont de nouvelles contraintes sur les propriétés du QGP, notamment sur la dépendance de la température de sa viscosité de cisaillement», explique Ante Bilandzic, physicien à l’université technique de Munich et coordinateur du projet QGP-MYSTERY. «Étant donné que l’univers était presque entièrement constitué de QGP quelques microsecondes après le Big Bang, cela nous permet d’approfondir notre compréhension de cette époque lointaine de l’évolution de notre univers», ajoute-t-il.
Mesurer l’écoulement anisotrope
Pour en savoir plus sur les propriétés du QGP, Ante Bilandzic a dirigé l’équipe QGP-MYSTERY dans le cadre d’une étude de l’écoulement anisotrope. Lorsque deux ions lourds entrent en collision de manière légèrement décentrée, la forme de la collision est irrégulière. Cette irrégularité, ou anisotropie, se répercute sur la façon dont les particules interagissent entre elles et sur la façon dont elles se déplacent, un effet connu sous le nom d’écoulement anisotrope.
Aligner le formalisme mathématique sur l’écoulement anisotrope
L’équipe a également aligné un formalisme mathématique complexe, appelé cumulant multivarié, sur la manière dont les scientifiques étudient les écoulements anisotropes. Cela a mené au développement de meilleurs outils d’analyse du QGP. Les nouvelles «observables» offrent de nouveaux moyens de mesurer le flux de particules, notamment des mesures symétriques et asymétriques d’ordre supérieur. «Chacune de ces nouvelles observables satisfaisant à toutes les propriétés fondamentales des cumulants multivariés, chacune d’entre elles porte, par définition, une information indépendante concernant les propriétés du QGP», explique Ante Bilandzic.
Les premières expériences au grand collisionneur de hadrons
Grâce à la collaboration ALICE, les chercheurs ont déjà effectué les premières mesures à l’aide de ces nouvelles observables au LHC, ce qui a permis d’approfondir nos connaissances relatives au QGP. Jusqu’à présent, le projet a généré un total de 13 publications dans des revues scientifiques à comité de lecture, à savoir neuf articles théoriques et quatre articles expérimentaux pour la collaboration ALICE. Il s’agit notamment du développement d’un nouveau paradigme pour les cumulants multivariés et les nouvelles observables de flux correspondantes, des premières mesures expérimentales de symétrique d’ordre supérieur et des cumulants asymétriques des amplitudes de flux, et des premières solutions analytiques au «problème de fond combinatoire», qui apportent de nouvelles perspectives sur la manière de correctement interpréter les mesures de flux dans les petits systèmes de collision. Ante Bilandzic et son équipe entendent poursuivre l’étude du QGP au LHC, en s’appuyant sur des ensembles de données plus importants de quelques ordres de grandeur: «Cela permettra, pour la première fois, d’effectuer des mesures d’observables qui n’étaient pas réalisables auparavant en raison de statistiques limitées».
Mots‑clés
QGP-MYSTERY, Big Bang, mystère, quark, état, matière, LHC, particules
