PLASMA DE QUARKS ET DE GLUONS

Prédit par la théorie des interactions nucléaires fortes, le plasma de quarks et gluons – nouvelle phase de la matière, dans laquelle quarks et gluons ne sont pas regroupés en protons, neutrons et autres hadrons – aurait prévalu lorsque l'Univers était extraordinairement dense et chaud, moins d'une microseconde après l'explosion originelle selon la théorie du big bang. À partir d'expériences débutées en 1994, portant sur des collisions de noyaux de plomb, des physiciens du Cern ont pu mettre en évidence une signature de l'apparition momentanée de cet état lorsque la densité de matière dépasse un seuil critique.

LA CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE ET LES PHASES DE LA MATIÈRE ÉLÉMENTAIRE

La chromodynamique quantique décrit les forces nucléaires responsables de la cohésion des noyaux atomiques comme dues aux interactions entre quarks, antiquarks et gluons. Proposée au début des années 1970, cette théorie rend compte de nombreuses observations et mesures expérimentales et est maintenant considérée comme une pièce essentielle du modèle standard de l'Univers. Elle présente une caractéristique tout à fait surprenante : ses champs fondamentaux – quarks et gluons – ont la curieuse propriété de ne pas pouvoir être isolés ; ils restent confinés dans les protons, neutrons et autres hadrons. Pour qu'un assemblage de ces constituants élémentaires puisse atteindre un appareil de détection, il doit obéir à des règles extrêmement précises issues de la théorie des groupes. En termes imagés, on considère qu'un quark porte une des trois couleurs fondamentales, un antiquark une des trois couleurs complémentaires et un gluon une des huit combinaisons formées par leur appariement (en excluant la combinaison complètement symétrique). Dans cette terminologie, les hadrons, quant à eux, sont blancs.

De la même façon qu'un solide formé à partir de structures symétriquement ordonnées se transforme en liquide lorsqu'on augmente la température, des études théoriques ont montré qu'un ensemble de quarks et de gluons confinés en hadrons se transformerait en une phase déconfinée si la densité d'énergie était supérieure à une valeur critique environ dix fois supérieure à celle qui existe dans un noyau. Pour atteindre ce résultat, les théoriciens ont simulé sur ordinateur le comportement d'ensemble de particules élémentaires obéissant aux lois de la chromodynamique. Cela au prix d'une approximation osée, mais considérée comme raisonnable : remplacer l'espace-temps physique continu par un réseau discret de quelques milliers de points. Ils ont ainsi mis en évidence qu'à une certaine « température » un changement qualitatif apparaît : un plasma (parfois appelé quagma) dans lequel quarks et gluons interagissent individuellement remplace l'ensemble de protons, neutrons et autres hadrons où ces particules suivaient un comportement grégaire. On ne sait pas encore avec précision de quel type est cette transition de phase.