Pendant des décennies, la règle pour créer le plasma de quarks et de gluons (QGP) — cette soupe ultra-chaude de quarks et de gluons libres qui remplissait l'univers dans ses premiers millionièmes de seconde — était simple : prenez les plus gros noyaux disponibles. Le plomb, en particulier, plus de 200 fois plus lourd que les protons habituellement utilisés dans les expériences du LHC. L'hypothèse était que seuls de tels poids lourds pouvaient générer la pression et la chaleur colossales requises, des températures dépassant 100 000 fois celles du centre du Soleil, où les protons et les neutrons cessent de se tenir ensemble et se dissolvent en leurs quarks et gluons constitutifs.

Il s'avère que l'univers a peut-être été plus économe que cela. Un an après les toutes premières collisions d'oxygène au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ses quatre principales collaborations de recherche — ALICE, ATLAS, CMS et LHCb — ont désormais rapporté des signes que cette forme primordiale de matière peut émerger lorsque des noyaux d'oxygène et de néon entrent en collision. Oui, l'oxygène et le néon. Les petits poids. Les noyaux qui méritent une médaille de participation.

Les résultats remettent en question une hypothèse de longue date sur les forces énormes nécessaires pour créer une substance aussi extrême, et offrent aux scientifiques un nouveau moyen d'étudier les conditions qui prévalaient aux tout premiers instants de l'univers.

L'un des moyens les plus clairs d'identifier le QGP est d'observer ce qui se passe lorsque des quarks et des gluons énergétiques tentent de le traverser. En se déplaçant dans ce matériau extrêmement chaud et dense, ces particules perdent une partie de leur énergie — un processus que les scientifiques appellent perte d'énergie des partons, et un indice pratique que le QGP s'est formé. La collaboration ATLAS a clairement détecté cet effet en étudiant des paires de jets de particules — des flux concentrés de particules produits lorsque des quarks et des gluons énergétiques émergent d'une collision — générés lors de collisions oxygène-oxygène et néon-néon. Les chercheurs ont observé des différences d'énergie entre les jets appariés, indiquant que certaines particules avaient perdu de l'énergie en traversant le matériau environnant. L'effet était particulièrement prononcé lors de collisions plus directes, frontales (centrales), qui devraient créer un plus grand volume de plasma, offrant aux particules plus de matière à traverser et causant une plus grande perte d'énergie. Les résultats préliminaires d'ATLAS le confirment : en examinant les particules chargées qui reculent dans la direction opposée aux photons, les chercheurs ont trouvé une relation similaire entre la perte d'énergie et la centralité des collisions nucléaires.

ALICE, CMS et LHCb ont cherché le même processus sous-jacent avec une approche différente. Plutôt que de se concentrer principalement sur l'énergie des jets, ils ont examiné comment le plasma semble réduire la production de certaines particules énergétiques. CMS a constaté que la production de particules chargées était supprimée dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon par rapport aux collisions proton-proton — ce qui est cohérent avec une perte d'énergie des particules à l'intérieur du QGP, et constitue une preuve supplémentaire que ce matériau exotique peut se former dans des collisions impliquant des noyaux plus légers. LHCb a rapporté un autre indice important dans une étude distincte, en examinant des particules contenant un quark charmé et un quark plus léger et en comparant la force avec laquelle leur production était supprimée dans les collisions d'oxygène et de néon. La suppression était plus prononcée dans les collisions de néon, plus lourdes, exactement le comportement auquel les scientifiques s'attendraient si des collisions plus grandes produisent de plus grands volumes de plasma, causant une perte d'énergie plus importante des particules qui le traversent.

La production réduite de particules ne prouve toutefois pas nécessairement que la perte d'énergie en est responsable ; d'autres processus physiques pourraient potentiellement produire des effets similaires. ALICE a donc comparé la production de pions neutres, un autre type de particule subatomique, dans les collisions oxygène-oxygène et proton-oxygène. La comparaison a fourni une preuve sans équivoque de la perte d'énergie des partons dans les collisions oxygène-oxygène, renforçant l'idée que même des collisions nucléaires relativement petites peuvent générer des conditions associées au QGP.

Les chercheurs ont également cherché un autre