Des collisions d’ions légers sondent la matière primordiale

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18 septembre, 2025

Cet été, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) s'est offert une bouffée d'air frais. Le grand anneau de 27 km, faisant normalement circuler des faisceaux de protons, a été reconfiguré pour pouvoir accueillir ses premières collisions oxygène-oxygène et néon-néon. Les premiers résultats de ces nouvelles données, mesurées par les expériences ALICE, ATLAS, CMS et LHCb sur une période de six jours, ont été présentés lors de la conférence Initial Stages qui s'est tenue du 7 au 12 septembre à Taipei.

Faire entrer en collision des noyaux atomiques est un moyen d'étudier le plasma de quarks et de gluons, un état extrême de la matière qui reproduit les conditions de l'Univers dans ses premières microsecondes, avant la formation d'atomes. Jusqu'à présent, au LHC, l'étude de cet état dense et chaud de particules en liberté se faisait au moyen des collisions entre ions lourds (p. ex. le plomb ou le xénon), qui permettaient d'obtenir une gouttelette de plasma plus grande.

Les collisions entre ions plus légers, par exemple d'oxygène, ouvrent la voie à une meilleure compréhension des caractéristiques et de l'évolution du plasma. Ces ions sont plus petits que les ions plomb ou xénon, ce qui permet de déterminer la taille minimale que doit avoir un noyau pour que se produise un plasma de quarks et de gluons. Ils ont aussi des formes moins régulières : ainsi, un noyau de néon est censé, d'après la prédiction du modèle, être allongé comme une quille, ce que confirment les nouveaux résultats.

Les expériences ont porté sur la mesure de configurations subtiles de l'angle et de la direction des particules éjectées lorsque la gouttelette de plasma s'étend et refroidit, résultant de légères distorsions dans la zone originelle de collision. Or, les flux ainsi dessinés peuvent être décrits à l'aide des mêmes calculs de dynamique des fluides que ceux utilisés pour modéliser les fluides qui nous sont familiers. Les chercheurs peuvent ainsi étudier à la fois les propriétés du plasma de quarks et de gluons et la géométrie des noyaux en collision. Les prédictions des modèles permettent une étude plus précise du flux dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon que dans les collisions proton-proton et proton-plomb.

L'expérience ALICE, spécialisée dans l'étude du plasma de quarks et de gluons, et les expériences généralistes ATLAS et CMS, ont mesuré des flux elliptiques et triangulaires dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon, et ont conclu que leur configuration dépendait fortement du type de collision, soit rasante, soit frontale. La concordance entre la théorie et les données est comparable à celle obtenue s'agissant des collisions des ions de plomb et de xénon, plus lourds. Ce sont des indices probants que le flux des collisions oxygène-oxygène et néon-néon est conditionné par la géométrie nucléaire, ce qui semble confirmer la structure en quille du noyau de néon et démontre l'omniprésence de flux hydrodynamiques sur l'ensemble des systèmes de collisions au LHC.

Des résultats complémentaires présentés par la collaboration LHCb la semaine dernière ont confirmé la forme en quille du noyau de néon. Les résultats sont basés sur les collisions plomb-argon et plomb-néon dans une configuration à cible fixe, sur la base de données enregistrées en 2024 avec le dispositif SMOG. La collaboration LHCb s'est également mise à analyser les données obtenues lors des collisions oxygène-oxygène et néon-néon.

« Mis bout à bout, ces résultats nous ouvrent de nouvelles perspectives sur la structure nucléaire et sur la façon dont la matière est apparue après le Big Bang », conclut Joachim Mnich, directeur de la recherche et de l'informatique du CERN.

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Animation showing side-by-side comparison of lead-lead and oxygen-oxygen collision

Animations showing the quark-gluon plasma formed in collisions between heavy ions

Animation showing the quark-gluon plasma produced in a lead-lead collision and formed by squeezing a group of protons together

Quark-gluon plasma explained - YouTube Video