Il y a presque 60 ans, trois physiciensphysiciens découvraient indépendamment que les protons, les neutrons et d'autres particules découvertes au cours des années 1950 étaient constituées de ce que nous appelons aujourd'hui des quarks, des fermions de charges fractionnaires composant par paires ou triplets un zoo de particules appelé des hadrons.

La découverte ne tarda pas à se révéler paradoxale car aucune expérience ne montrait l'existence de quarks libres, ce qui faisait douter certains physiciens de l'existence de ces nouvelles particules élémentaires. Mais, au début des années 1970, les calculs menés dans la toute jeune théorie dite de la chromodynamique quantiquechromodynamique quantique, introduisant de nouvelles forces nucléaires avec des cousins des photonsphotons, les gluonsgluons, entre les quarks, ont laissé fortement penser qu'il existait un phénomène de confinement des quarks dans les hadronshadrons.

En fait, contrairement à la force électrostatiqueélectrostatique qui diminue en intensité selon l'inverse du carré de la distance entre deux particules chargées, les forces nucléaires fortes augmentent avec la distance quand on cherche à séparer les quarks.

Des gouttes de quagma condensées de diverses tailles

On va finir par comprendre aussi que dans des conditions de pressionspressions et de températures très élevées, pendant le Big BangBig Bang, les quarks pouvaient se déconfiner en donnant un plasma de quarks et de gluons (QGP en abrégé), car les distances entre quarks restaient très faibles en raison de la densité et bien qu'ils soient animés de vitessesvitesses importantes en raison des hautes températures atteintes. Ce plasma a aussi été appelé un quagma. 

On a cherché à le reproduire sur Terre et à étudier ce qui se passait quand il refroidissait en donnant des protons et des neutrons vus un peu comme des gouttes de liquideliquide hadronique qui se formeraient par condensationcondensation d'une vapeur qui est précisément le quagma.

Les physiciens explorent la physiquephysique du quagma depuis des années en faisant des collisions d'ionsions lourds, notamment avec le LHCLHC au CernCern. Jusqu'à présent, il s'agissait surtout d'ions de plombplomb dont les produits de collisions étaient analysés dans le détecteur Alice, mais on a par la suite utilisé les détecteurs Atlas et CMSCMS, encore plus géants et qui avaient permis de découvrir le boson de Brout-Englert-Higgs.

Plusieurs communiqués du Cern ont récemment fait savoir que les physiciens s'aventuraient désormais en terrain inconnu, Atlas, CMS et Alice scrutant maintenant pour la première fois des collisions d'ions oxygèneoxygène et néonnéon et le QGP.

Un des communiqués du Cern précise : « Les ions plomb, avec 82 protons et 126 neutrons, ont longtemps été l'outil privilégié du LHC pour générer du QGP. Les ions oxygène et néon, qui ne comptent respectivement que 8 et 10 protons et neutrons, devraient former des gouttelettes de QGP plus petites lors de leurs collisions que celles des collisions de plomb, offrant ainsi aux physiciens un nouveau réservoir de données à explorer. » 

Le physicien Riccardo Longo, au sein du groupe des ions lourds d'Atlas, ajoute : « Ces systèmes de collision nous permettront d'étudier l'évolution des propriétés du QGP en fonction de la taille du système. Si nous comprenons bien l'interaction forteinteraction forte dans des conditions froides, grâce à l'étude des collisions proton-proton, et dans des environnements extrêmement chauds et denses comme les collisions plomb-plomb, la question demeure : que se passe-t-il entre les deux ? Nous espérons que ces systèmes plus légers nous permettront de relier les deux. »

Des rayons cosmiques sur Terre

Ivan Amos Cali, membre du groupe Ions lourds du CMS, qui étudiera principalement les collisions, ajoute également : « Pour l'instant, il n'existe que des théories sur la façon dont ces systèmes devraient réagir à ces énergiesénergies. C'est la première fois que nous observerons réellement ce qui se passe ; personne n'a jamais réalisé ce type de mesure ! ».

Trois types de collisions sont en fait au programme : des protons entrant en collision avec des noyaux d'oxygène, des noyaux d'oxygène entrant en collision avec des noyaux d'oxygène, et des noyaux de néons entrant en collision avec des noyaux de néons.

La première réaction est intéressante car elle ressemble à ce qui se passe quand des rayons cosmiquesrayons cosmiques, souvent des protons accélérés par les supernovaesupernovae, entrent en collision avec les noyaux d'oxygène et d'azoteazote dans la haute atmosphèreatmosphère terrestre, entraînant des gerbes de particules secondaires que l'on peut étudier au sol avec des détecteurs comme Auger, en Argentine.