Les collisions de particules au Grand collisionneur de hadrons (LHC) peuvent atteindre des températures cent mille fois plus élevées que celles qui règnent au centre du Soleil. Pourtant, aussi étrange que cela puisse paraître, des noyaux atomiques légers et leurs homologues dans l'antimatière sortent indemnes de cet environnement torride, alors que les liaisons qui assurent la cohésion du noyau devraient normalement se défaire à une température très inférieure. Depuis des décennies, les physiciens cherchent à expliquer ce phénomène. Aujourd'hui, la collaboration ALICE est en mesure de présenter des données expérimentales expliquant le processus, et publie ses résultats dans la revue Nature.

Les chercheurs d'ALICE ont étudié des deutons (un proton et un neutron liés entre eux) et les antideutons (un antiproton et un antineutron) produits lors de collisions de protons de haute énergie au LHC. Ils ont trouvé des éléments prouvant que, loin d'émerger directement des collisions, presque 90 % des deutons et des antideutons étaient produits par la fusion nucléaire de particules émergeant de la collision, l'une des particules qui les constituent provenant de la désintégration d'une particule à durée de vie courte.

« Ces résultats sont un grand pas en avant pour la discipline, a déclaré Marco van Leeuwen, porte-parole de l'expérience ALICE. Ils viennent combler une grande lacune dans notre compréhension de la manière dont les noyaux sont formés à partir des quarks et des gluons, et apportent des informations essentielles pour la future génération de modèles théoriques. »

Non seulement ces découvertes viennent résoudre une énigme très ancienne de la physique nucléaire, mais elles pourraient aussi avoir des répercussions sur l'astrophysique et la cosmologie. Des noyaux et antinoyaux légers sont également produits lors d'interactions entre les rayons cosmiques et le milieu interstellaire, et peuvent aussi être créés dans des processus faisant intervenir la matière noire, qui est présente dans tout l'Univers. En élaborant des modèles fiables pour la production de noyaux et d'antinoyaux légers, les physiciens parviendront à mieux interpréter les données sur les rayons cosmiques pour rechercher de possibles signaux provenant de la matière noire.

Cette observation faite à ALICE constitue une base expérimentale solide pour la modélisation de la formation des noyaux légers dans l'espace. Elle montre que la plupart des noyaux légers observés ne sont pas créés lors d'une poussée thermique, mais plutôt par un enchaînement de désintégrations et de fusions qui se produisent lorsque le système refroidit.

La collaboration ALICE est parvenue à ces conclusions en analysant les deutons produits lors des collisions de protons de haute énergie enregistrées pendant la deuxième période d'exploitation du LHC. Les chercheurs ont mesuré les impulsions des deutons et des pions, qui sont un autre type de particule constituée d'une paire quark-antiquark. Ils ont découvert une corrélation entre les impulsions du pion et du deuton, ce qui indique que le pion et soit le proton soit le neutron du deuton proviennent en fait de la désintégration d'une particule à durée de vie courte.

Cette particule à durée de vie courte, appelée « résonance delta », se désintègre, en un millième de millionième de picoseconde, en un pion et un nucléon (qui peut être soit un proton soit un neutron). Le nucléon peut alors fusionner avec d'autres nucléons passant à proximité pour former des noyaux légers, comme le deuton. Cette fusion nucléaire se produit à une courte distance du principal point de collision, dans un environnement moins chaud, qui offre aux noyaux nouvellement créés une bien meilleure chance de survie. Ces résultats ont été observés aussi bien pour les particules que pour les antiparticules, ce qui prouve que c'est le même mécanisme qui régit la formation des deutons et des antideutons.

« Cette découverte illustre la capacité exceptionnelle de l'expérience ALICE d'étudier la force nucléaire forte dans des conditions extrêmes », a souligné Alexander Philipp Kalweit, coordinateur pour la physique à ALICE.