Des physiciens ont simulé des collisions entre particules pour mieux comprendre la «soupe primordiale» du Big Bang

Les physiciens cherchent à comprendre comment l’univers est passé d’un état extrêmement chaud et dense, juste après le Big Bang il y a 13,8 milliards d’années, à la matière ordinaire que nous connaissons aujourd’hui. Dans les premières microsecondes suivant le Big Bang, l’univers était rempli d’une sorte de « soupe primordiale » composée de particules fondamentales appelées quarks et gluons. Ces particules, normalement confinées à l’intérieur des protons et des neutrons, étaient alors libres de circuler. Les chercheurs tentent de recréer cette soupe en laboratoire pour étudier son comportement et ses transformations. Cette expérience s’inscrit dans le cadre de la physique nucléaire, une branche de la physique qui étudie les constituants des noyaux atomiques et leurs interactions.

Pour recréer les conditions du Big Bang, les physiciens du Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un accélérateur de particules situé aux États-Unis, ont fait entrer en collision des noyaux d’or à une vitesse proche de celle de la lumière. Cette vitesse extrême génère des températures et des densités comparables à celles de l’univers primordial, permettant d’étudier la matière dans des conditions extrêmes. Lors de ces collisions, des particules sont éjectées latéralement avec une énergie variable. Les chercheurs ont observé un comportement inattendu : l’énergie des particules éjectées a d’abord diminué, puis augmenté à nouveau, formant une courbe en forme de « bosse ». Ce phénomène pourrait indiquer l’existence d’un point critique, un seuil où la matière nucléaire change brutalement de phase, comme l’eau qui passe de l’état liquide à gazeux à 100 °C.

Le point critique est un concept clé en physique nucléaire. Il désigne un ensemble de conditions précises (température, pression, densité) où la matière nucléaire change brusquement de comportement. Pour l’eau, ce point critique se situe à 374 °C et 218 atmosphères de pression, où les états liquide et gazeux deviennent indistincts. Les théoriciens pensent que la matière nucléaire possède un point critique similaire, mais à des températures et des densités bien plus élevées. La transition entre protons/neutrons et plasma de quarks-gluons pourrait y être abrupte plutôt que progressive. Les résultats de l’expérience suggèrent que cette transition pourrait être en cours d’observation, bien que les chercheurs restent prudents : cette diminution d’énergie pourrait aussi être un simple hasard statistique.

L’équation d’état de la matière nucléaire est un modèle mathématique qui décrit comment la matière se comporte dans des conditions extrêmes, comme au cœur des étoiles à neutrons ou lors des premiers instants de l’univers. Elle permet de prédire les propriétés de la matière en fonction de sa température, de sa densité ou de sa pression. Cette équation est essentielle pour comprendre la formation des protons et des neutrons à partir du plasma de quarks-gluons. Les travaux des physiciens visent à affiner cette équation en étudiant les collisions de noyaux d’or, dont les résultats pourraient s’appliquer à des phénomènes cosmiques comme la naissance des galaxies ou la composition des étoiles.