Dans un article publié aujourd'hui dans Physique de la nature , la collaboration ALICE rapporte que les collisions de protons présentent parfois des schémas similaires à ceux observés dans les collisions de noyaux lourds. Ce comportement a été repéré par l'observation de hadrons dits étranges dans certaines collisions de protons dans lesquelles un grand nombre de particules sont créées. Les hadrons étranges sont des particules bien connues portant des noms tels que Kaon, Lambda, Xi et Oméga, contenant tous au moins un quark dit étrange. La «production améliorée de particules étranges» observée est une caractéristique familière du plasma quark-gluon, un état de la matière très chaud et dense qui existait quelques millionièmes de seconde après le Big Bang, et est généralement créé dans les collisions de noyaux lourds. Mais c'est la première fois qu'un tel phénomène est observé sans ambiguïté dans les rares collisions de protons au cours desquelles de nombreuses particules sont créées. Ce résultat est susceptible de remettre en cause les modèles théoriques existants qui ne prédisent pas une augmentation des particules étranges dans ces événements.

"Nous sommes très heureux de cette découverte, " a déclaré Federico Antinori, Porte-parole de la collaboration ALICE. "Nous en apprenons encore beaucoup sur cet état primordial de la matière. Pouvoir isoler les phénomènes de type quark-gluon-plasma dans un système plus petit et plus simple, comme la collision entre deux protons, ouvre une toute nouvelle dimension pour l'étude des propriétés de l'état fondamental dont notre univers a émergé."

L'étude du plasma quark-gluon permet d'étudier les propriétés de l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales connues, tandis que la production accrue d'étrangeté est une manifestation de cet état de la matière. Le plasma quark-gluon est produit à une température et une densité d'énergie suffisamment élevées, lorsque la matière ordinaire subit une transition vers une phase dans laquelle les quarks et les gluons deviennent « libres » et ne sont donc plus confinés dans les hadrons. Ces conditions peuvent être obtenues au Large Hadron Collider en faisant entrer en collision des noyaux lourds à haute énergie. Les quarks étranges sont plus lourds que les quarks composant la matière normale, et généralement plus difficile à produire. Mais cela change en présence de la haute densité d'énergie du plasma quark-gluon, qui rééquilibre la création de quarks étranges par rapport aux non-étranges. Ce phénomène peut maintenant avoir été observé dans les collisions de protons également.

En particulier, les nouveaux résultats montrent que le taux de production de ces hadrons étranges augmente avec la « multiplicité » – le nombre de particules produites dans une collision donnée – plus rapidement que celui des autres particules générées dans la même collision. Alors que la structure du proton n'inclut pas de quarks étranges, les données montrent également que plus le nombre de quarks étranges contenus dans le hadron induit est élevé, le plus fort est l'augmentation de son taux de production. Aucune dépendance à l'énergie de collision ou à la masse des particules générées n'est observée, démontrant que le phénomène observé est lié à la teneur en quarks étranges des particules produites. La production d'étrangeté est en pratique déterminée en comptant le nombre de particules étranges produites dans une collision donnée, et calculer le rapport des particules étranges aux particules non étranges.

L'augmentation de la production d'étrangeté a été suggérée comme une conséquence possible de la formation de plasma de quarks et de gluons depuis le début des années 80, et découvert dans les collisions de noyaux dans les années 90 par des expériences au Super Synchrotron à Protons du CERN. Une autre conséquence possible de la formation du plasma de quarks et de gluons est une corrélation spatiale des particules à l'état final, provoquant un alignement préférentiel distinct avec la forme d'une crête. Suite à sa détection dans des collisions de noyaux lourds, la crête a également été observée dans des collisions de protons à haute multiplicité au Grand collisionneur de hadrons, donnant la première indication que les collisions de protons pourraient présenter des propriétés semblables à celles des noyaux lourds. L'étude plus précise de ces processus sera essentielle pour mieux comprendre les mécanismes microscopiques du plasma de quarks-gluons et le comportement collectif des particules dans les petits systèmes.

L'expérience ALICE a été conçue pour étudier les collisions de noyaux lourds. Il étudie également les collisions proton-proton, qui fournissent principalement des données de référence pour les collisions de noyaux lourds. Les mesures rapportées ont été effectuées avec des données de collision de protons de 7 TeV provenant de l'exploitation 1 du LHC.