Dans les premieres microsecondes apres le Big Bang, l’univers n’etait pas compose d’atomes ni meme de protons ou de neutrons. C’etait une soupe brulante de quarks et de gluons, les constituants fondamentaux de la matiere, si chaude et si dense que les particules ne pouvaient pas exister individuellement. Cette soupe, appelee le plasma de quarks et de gluons (PQG), a disparu en un millionieme de seconde a mesure que l’univers s’expandait et refroidissait. Pour l’etudier aujourd’hui, les physiciens doivent la recreer : en faisant entrer en collision des noyaux de plomb lourds a une vitesse proche de celle de la lumiere.
Desormais, apres 20 ans de recherche, l’experience CMS du Grand collisionneur de hadrons du CERN a confirme un phenomene predit en 2004 : un « sillage de diffusion » laisse derriere lui lorsqu’une particule energetique traverse le plasma de quarks et de gluons. Cette observation, acceptee pour publication dans Physical Review Letters, offre une nouvelle fenetre sur les proprietes de la soupe primordiale qui remplissait l’univers primordial.
Ce qu’est le sillage
Imaginez le PQG comme un fluide si chaud et si dense que meme les quarks et les gluons, normalement confines a l’interieur des protons et des neutrons, se deplacent librement. Lorsqu’un quark ou un gluon de haute energie (un « parton ») est produit a l’interieur de ce plasma, il traverse le milieu, deposant energie et quantite de mouvement sur son passage. Cela cree une perturbation analogue au sillage derriere un bateau : une onde de compression devant la particule et une region de materiel appauvri derriere elle. Cet appauvrissement, un deficit mesurable de particules de basse energie dans la direction opposee au jet, est le sillage de diffusion.
« Le sillage de diffusion avait ete predit par la theorie il y a plus de 20 ans, mais il restait insaisissable dans les donnees experimentales », a declare la Pre Olga Evdokimov de l’Universite de l’Illinois a Chicago, qui a dirige l’analyse avec le postdoctorant Raghunath Pradhan.
Une question de statistiques
La difficulte a trouver le sillage ne portait pas sur son existence – la theorie disait qu’il devait exister – mais sur la possibilite d’extraire le signal d’un bruit de fond ecrasant. Chaque collision plomb-plomb au LHC produit des milliers de particules. Parmi elles, le signal du sillage est minuscule : un subtil deficit de particules chargees avec une impulsion transverse entre 1 et 2 GeV, environ un millieme de l’energie des jets eux-memes.
Les tentatives precedentes de l’experience ATLAS au LHC, utilisant des evenements photon-jet, n’ont rien trouve, seulement des limites superieures sur ce qui pourrait exister. L’equipe CMS a reussi en utilisant une approche differente : les evenements dijets, ou deux jets dos-a-dos sont produits a partir d’une seule diffusion dure. Les evenements dijets se produisent beaucoup plus frequemment que les evenements photon-jet, offrant la puissance statistique necessaire pour extraire le signal.
L’equipe a compare les correlations dijet-hadron dans les collisions plomb-plomb (PbPb) et proton-proton (pp), toutes deux enregistrees a une energie du centre de masse de 5,02 TeV. En selectionnant les evenements ou les deux jets etaient largement separes le long de l’axe longitudinal du detecteur, et en soustrayant les effets des evenements ou les jets etaient proches, le signal du sillage de diffusion est apparu. Il a atteint une signification statistique superieure a 5 ecarts-types, l’etalon-or pour une decouverte en physique des particules.
Une fenetre sur l’univers primordial
Le PQG n’existe que pendant environ 10^-23 secondes par collision, mais l’etude de ses proprietes renseigne les physiciens sur le comportement de la matiere dans les premiers instants apres le Big Bang. « Observer et quantifier le sillage de diffusion du PQG ouvre la porte a une nouvelle caracterisation de precision des proprietes et de la dynamique du plasma de quarks et de gluons », a declare Pradhan, « et promet de nouvelles perspectives sur l’evolution de l’univers primordial. »
Le signal du sillage etait le plus fort dans les collisions les plus centrales, ou le PQG est le plus grand et le plus chaud, et disparaissait dans les collisions peripheriques ou moins de plasma est produit. Le signal etait le plus net pour les particules chargees dans la gamme 1-2 GeV, avec un signal plus faible mais toujours significatif observe entre 2 et 4 GeV.
Limites et tensions
Les modeles theoriques existants qui incluent les effets de sillage, le modele HYBRID et le modele CoLBT-hydro, predisent tous deux l’appauvrissement observe, mais ils en surestiment l’ampleur. Cela signifie que la comprehension theorique de la facon dont le PQG repond aux jets energetiques est encore incomplete. Aucun modele ne correspond parfaitement aux donnees, laissant place a des ameliorations.
Une precedente recherche ATLAS pour le meme phenomene utilisant des evenements photon-jet (Phys. Rev. C 111, 044909, 2025) n’a trouve que des limites superieures. Le succes de l’equipe CMS avec la methode dijet suggere que l’approche photon-jet n’etait tout simplement pas assez sensible ; les evenements dijets offrent une puissance statistique significativement plus elevee.
Et ensuite
Avec la fin du Run 3 du LHC le 29 juin 2026, le detecteur CMS entre maintenant dans son Long Arret 3, durant lequel le LHC sera mis a niveau pour le Run 4, prevu pour commencer en 2030. Les nouvelles donnees issues de collisions a plus haute luminosite permettront des mesures encore plus precises du sillage et de ses proprietes. Les travaux futurs pourront egalement sonder le sillage a differentes energies et avec differents systemes de collision, revelant potentiellement de nouveaux aspects du comportement du PQG.
L’article, intitule « Observation of the jet diffusion wake using dijets in heavy-ion collisions », est signe par la Collaboration CMS (A. Hayrapetyan et al.) et accepte pour publication dans Physical Review Letters. La prepublication est disponible sur arXiv: 2602.19431 (nucl-ex).
Sources
1. Collaboration CMS, « Observation of the jet diffusion wake using dijets in heavy-ion collisions », accepte par Physical Review Letters, arXiv:2602.19431 (2026). DOI: 10.1103/g49y-8cjl
2. Article d’actualite de l’experience CMS, « In the wake of partons », 8 juillet 2026. cms.cern/news/wake-partons
3. R. Lea, « Earth’s largest particle accelerator opens new window into the early universe », Space.com, 17 juillet 2026.
Traduit par Lydie