Des quarks «fantômes» révèlent un secret enfoui du Big Bang

Des quarks top ont été observés pour la première fois lors d’une collision entre noyaux de plomb au sein du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Cette détection représente ainsi une grande avancée dans la compréhension des toutes premières fractions de seconde ayant suivi le Big Bang, période durant laquelle l’Univers était plongé dans une soupe de quarks et de gluons.

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état de la matière qui se forme à des températures et densités extrêmes. Les quarks forment les protons et les neutrons, tandis que les gluons assurent la cohésion des quarks en transmettant l’interaction nucléaire forte. Alors qu’en temps normal quarks et gluons sont confinés dans les nucléons, le QGP se caractérise par leur libération temporaire.

Selon les modèles cosmologiques, cet état aurait dominé l’Univers durant la toute première fraction de seconde après le Big Bang, d’où l’appellation de « soupe primordiale ». Par la suite, les particules élémentaires se sont agrégées dans un processus d’hadronisation, donnant naissance à la matière ordinaire. Il existe six types – ou saveurs – de quarks. Les quarks up et down composent les protons et les neutrons, tandis que les quatre autres – charm, étrange, bottom et top – n’apparaissent que lors de phénomènes à très haute énergie. Une étude récente suggère également la présence possible d’un quark charm intrinsèque dans le proton, bien que cette hypothèse fasse encore débat au sein de la communauté scientifique.

Le quark top est le plus massif des six, avec une masse comparable à celle d’une petite molécule, comme la caféine. Mais cette masse élevée entraîne également une forte instabilité : le quark top se désintègre en environ 5×10⁻²⁵ secondes. Une durée si brève qu’elle précède même le processus d’hadronisation, le rendant inaccessible à toute forme de confinement.

Cette brièveté a longtemps alimenté les interrogations sur la possibilité que les six saveurs de quarks aient pu coexister dans la soupe primordiale. Or, les expériences suggèrent que le QGP persiste pendant environ 10^-23 secondes, soit un intervalle dix fois plus long que la durée de vie du quark top.

Ce décalage temporel permet d’envisager l’usage des quarks top comme marqueurs temporels du plasma. En d’autres termes, leur formation et désintégration, à différentes étapes de la vie du QGP, offrent un moyen d’en retracer l’évolution. C’est précisément ce qu’ont accompli les chercheurs de la collaboration ATLAS, qui ont détecté pour la première fois la production d’une paire de quarks top à partir des traces laissées par leur désintégration dans une collision plomb-plomb au LHC.