Dans les collisions de noyaux d'or menées au RHIC, quelque chose ne s'est pas passé comme prévu : les fluctuations observées présentent un creux très net.

Imaginez que vous puissiez remonter le temps jusqu'aux tout premiers instants de l'Univers, quelques microsecondes après le Big Bang. Ou que vous ayez le pouvoir de comprimer la matière au point d'égaler la densité d'une étoile à neutrons. C'est précisément ce que cherche à recréer, à une échelle infinitésimale et pendant un instant fugace, le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire national de Brookhaven (États-Unis).

Et au cours d'une étude récente, une équipe internationale a repéré une bizarrerie dans ses données, une sorte de « creux » intrigant qui pourrait bien changer notre compréhension de la matière. Les chercheurs détaillent dans les Physical Review Letters.

Une carte pour comprendre les états de la matière

Pour comprendre cette découverte, revenons à quelque chose de plus commun, de plus quotidien : l'eau. Selon la température et la pression à laquelle vous la placez, elle restera liquide ou se transformera en glace ou en vapeur. Les physiciens du passé ont étudié ces comportements pour produire ce qu'ils appellent un diagramme de phase, une carte qui définit l'état de l'eau selon les conditions.

Grâce au RHIC, les physiciens font la même chose, mais avec de la matière nucléaire, des protons et des neutrons. En faisant entrer en collision des noyaux d'atomes d'or à des vitesses proches de celle de la lumière, ils créent des conditions extrêmes de température et de densité. À haute énergie, la fournaise est telle que les frontières des protons et des neutrons volent en éclats. Ils se diluent en une sorte de soupe : le plasma de quarks et de gluons. À basse énergie, les particules restent intactes, mais se retrouvent violemment comprimées.

Les scientifiques ont utilisé le détecteur STAR (Solenoid Tracker) pour mesurer l’impulsion des particules issues de collisions d’ions or au sein du collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC). Cette image présente une vue de face de la partie la plus centrale de ce détecteur, haut de trois étages. © Laboratoire national de Brookhaven

Un étrange creux apparaît dans les données

C'est à basse énergie que les chercheurs ont travaillé cette fois. À des énergies de collision allant de 3 à 7,7 GeV par paire de nucléons, parmi les plus faibles que le RHIC puisse produire, afin d'explorer les régions les plus denses du diagramme de phase de la matière nucléaire.

À chaque collision, des particules sont éjectées. Et les physiciens ont mesuré les caractéristiques de ces particules. Ils s'attendaient à observer une évolution bien régulière alors qu'ils faisaient grimper l'énergie de collision.

Au lieu de ça, ils ont découvert une chute inattendue des fluctuations - qui peuvent notamment servir d'indicateur indirect des fluctuations de température de la matière créée - et des corrélations du moment transverse des particules produites. Un creux très net apparaît, avec un minimum entre 5,2 et 7,7 GeV.

Imaginez une foule dans laquelle chaque personne bouge indépendamment des autres : les mouvements sont peu corrélés. À proximité d’un point critique, des groupes de plus en plus grands peuvent au contraire avoir tendance à fluctuer de manière coordonnée. © Engel Drohnenpilot, Adobe Stock

Pourquoi ce creux intrigue autant les physiciens

Si ce creux fascine à ce point les physiciens, c'est parce qu'il pourrait constituer un indice de l'existence d'un « point critique ».

Revenons à notre exemple de l'eau. Vers 374 °C et 221 bars, au point critique de l'eau, il devient impossible de distinguer l'eau de la vapeur. Le fluide qui l'on obtient n'est pas tout à fait un gaz ni tout à fait un liquide.

À proximité du point critique, également, certaines propriétés deviennent extrêmement sensibles aux petites variations d'énergie et de densité. La capacité thermique peut notamment devenir très grande. On peut injecter beaucoup d'énergie dans le système sans provoquer une hausse proportionnelle de sa température.

Mais ce n'est pas tout. Un point critique est aussi associé à l'apparition de fluctuations particulières : des régions du système qui fluctuent de façon coordonnée peuvent devenir corrélées sur des distances de plus en plus grandes. C'est cette organisation des fluctuations, à différentes échelles, qui constitue l'une des signatures recherchées par les physiciens.

C'est donc cette combinaison qui intéresse les chercheurs : si la matière nucléaire traverse un point critique, ses fluctuations thermiques et les corrélations entre les particules pourraient elles aussi être profondément modifiées. Et c'est précisément ce type de comportement que les physiciens pensent entrevoir dans leurs données.

Le point critique enfin en vue ?

S'agit-il de la preuve formelle de ce fameux point critique ? Les scientifiques appellent à la prudence.

D'autres explications existent, et aucun signal isolé ne suffit à valider une telle découverte en physique. Néanmoins, les modèles de référence ne reproduisent pas ce creux. L'observation révèle donc bien un comportement que les descriptions actuelles de ces collisions ne parviennent pas encore à expliquer.

Reste désormais à savoir si ce mystérieux creux n'est qu'une anomalie dans les données... ou la première trace d'un point encore insaisissable sur la carte d'identité de la matière.