ALICE détecte un plasma quarks-gluons dans des collisions d’oxygène

L’expérience ALICE, installée au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, vient de repousser les limites de l’étude du plasma de quarks et de gluons — ou plasma quarks-gluons. Dans des collisions entre noyaux d’oxygène, les physiciens ont observé des partons de haute énergie perdre de l’énergie en traversant le milieu créé par la collision. Cette signature du plasma a été mesurée à 4,9 écarts-types de l’hypothèse dite nulle, selon laquelle aucune perte d’énergie ne se produirait.

Le même programme consacré aux ions légers a livré un autre résultat remarquable : la forme d’un noyau atomique peut laisser une empreinte mesurable dans le mouvement des particules produites après la collision. La comparaison entre l’oxygène-16 et le néon-20 permet ainsi de distinguer les effets réels de la géométrie nucléaire des fluctuations aléatoires propres à chaque événement.

Des collisions inédites au LHC

Les premières collisions oxygène-oxygène et néon-néon ont été réalisées au LHC, l’anneau souterrain de 27 kilomètres du CERN, durant l’été 2025. Les données de cette campagne consacrée aux ions légers ont été enregistrées pendant six jours par les expériences ALICE, ATLAS, CMS et LHCb.

Les premiers résultats ont été présentés lors de la conférence Initial Stages, organisée à Taipei, à Taïwan, du 7 au 12 septembre 2025.

Les faisceaux ont été portés à une énergie de collision de 5,36 TeV par paire de nucléons. Cette énergie a permis à ALICE d’étudier des phénomènes collectifs dans des systèmes nettement plus petits que les collisions plomb-plomb habituellement associées aux recherches sur le plasma quarks-gluons.

Une signature du plasma dans l’oxygène

Le plasma quarks-gluons est un état extrêmement chaud et dense de la matière, dans lequel les quarks et les gluons ne sont plus confinés à l’intérieur de particules composites comme les protons et les neutrons. Pour le repérer, les chercheurs peuvent notamment observer la manière dont les partons très énergétiques — les constituants qui formeront ensuite des particules telles que les pions — sont ralentis ou déviés par le milieu.

Dans les collisions oxygène-oxygène, ALICE a constaté une suppression des pions de haute énergie compatible avec une perte d’énergie des partons. Pour la collaboration, ce résultat constitue une preuve claire de la formation d’un plasma quarks-gluons et étend cette signature à l’un des plus petits systèmes nucléaires jamais étudiés.

ALICE a également mesuré un flux collectif anisotrope dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon. Ce flux comprend notamment le flux elliptique (v₂) et le flux triangulaire (v₃), deux coefficients qui décrivent les directions privilégiées dans lesquelles les particules sont émises autour de l’axe de collision. Leurs valeurs importantes, ainsi que leur évolution selon la centralité de la collision, sont compatibles avec un comportement hydrodynamique, comparable à celui d’un fluide.

Le mouvement des particules révèle la forme des noyaux

La comparaison entre les deux éléments est particulièrement instructive, car leurs noyaux n’ont pas la même géométrie. L’oxygène-16 est relativement rond. Le néon-20, lui, est prédit — et les données de collision confortent cette description — comme un noyau allongé, de forme prolate, souvent comparé à une quille de bowling.

Lorsque deux noyaux se percutent, la zone de recouvrement initiale n’est pas nécessairement circulaire. Cette géométrie influence la façon dont la matière extrêmement chaude se dilate, et cette expansion se traduit dans la distribution angulaire des particules émises.

Dans les collisions centrales néon-néon, ALICE a observé un coefficient de flux elliptique v₂ supérieur à celui mesuré dans les collisions oxygène-oxygène. C’est précisément ce que l’on attendrait si la forme allongée du néon imprimait une asymétrie elliptique plus marquée que la géométrie plus sphérique de l’oxygène.

Les calculs de structure nucléaire et les simulations hydrodynamiques reproduisent les différences observées entre les deux systèmes. Cette concordance renforce l’interprétation selon laquelle le signal est lié à la géométrie des noyaux, plutôt qu’aux seules fluctuations aléatoires d’une collision à l’autre.

Autrement dit, les chercheurs ont pu déduire la forme d’un noyau à partir du motif laissé par les particules après sa collision. L’événement est trop bref pour être observé directement, mais les produits de la collision en conservent une sorte d’empreinte.

Pourquoi ce résultat compte

Un système plus petit peut-il encore former un plasma ?

Les collisions plomb-plomb produisent des « boules de feu » plus grandes et plus durables, ce qui facilite l’observation des effets collectifs. Les systèmes oxygène-oxygène et néon-néon se situent dans une zone intermédiaire entre les collisions proton-proton et celles de noyaux lourds.

Ils offrent donc aux physiciens un moyen de faire varier la taille et la densité du système afin d’étudier l’apparition progressive d’un comportement collectif.

Ces collisions d’ions légers permettent notamment de déterminer jusqu’à quelle taille minimale un système peut conserver des propriétés hydrodynamiques associées au plasma quarks-gluons. Les résultats disponibles indiquent que les collisions d’oxygène peuvent présenter à la fois une perte d’énergie des partons et un flux collectif, même si le lien précis entre ces deux signatures et les propriétés du milieu reste étudié.

Une nouvelle sonde de la structure nucléaire

L’expérience propose aussi une méthode complémentaire pour sonder la structure des noyaux. Plutôt que d’envoyer un faisceau sur un noyau stationnaire dans une expérience de diffusion classique, les chercheurs comparent le flux collectif produit par la collision de noyaux dont les formes intrinsèques diffèrent.

Le contraste entre l’oxygène et le néon aide ainsi à mieux contraindre les conditions initiales utilisées dans les modèles de collisions d’ions lourds.

Une fenêtre sur les premiers instants de l’Univers

Le plasma quarks-gluons ressemble à l’état extrême de la matière qui aurait rempli l’Univers durant ses premières microsecondes, avant que les quarks et les gluons ne se retrouvent confinés dans les protons, les neutrons et d’autres hadrons.

Les collisions d’ions légers permettent d’étudier cette matière primordiale dans un système plus petit et plus modulable. Elles aident aussi à sonder la frontière entre les collisions nucléaires capables de produire un milieu se comportant comme un fluide et celles qui ne le permettent pas.

Quelles expériences ensuite ?

Les éléments disponibles ne donnent pas de calendrier confirmé ni de liste précise de noyaux plus légers que l’oxygène qui seraient au programme des prochaines expériences. Ils indiquent toutefois que de nouvelles comparaisons entre systèmes d’ions légers pourraient aider à déterminer la taille et la densité minimales nécessaires à l’apparition d’un comportement de type plasma quarks-gluons, tout en améliorant les modèles de géométrie initiale.

Cette incertitude constitue précisément l’un des enjeux scientifiques. À la frontière des petits systèmes, il faut séparer avec toujours plus de précision les effets de la forme des noyaux, les fluctuations de l’état initial et la véritable perte d’énergie provoquée par le milieu.

Pour l’instant, les résultats d’ALICE établissent deux avancées liées : les collisions d’oxygène présentent une signature essentielle du plasma quarks-gluons, et la comparaison oxygène-néon transforme les débris en expansion d’une collision en outil de mesure de la forme des noyaux.